Beschleunigung des mechanischen Konstruktionsprozesses durch integrierte Strömungssimulation – Ratgeber

Ingenieure und Mathematiker versuchen bereits seit Jahrzehnten, das Verständnis und die Voraussage der Phänomene Strömungsmechanik und Wärmeübertragung mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) zu verbessern. Das Ziel dabei ist klar: Die Konstruktion von Produkten und die Prozesse, bei denen Fluidströmungen beteiligt sind, sollen bei gleichzeitiger Reduzierung von Aufwand, Zeit und Kosten optimiert werden.

Doch erst in den letzten zehn Jahren hat sich CFD im Industriedesign durchgesetzt, unterstützt durch enorme Kostenreduzierungen bei der Rechnerleistung, bessere mathematische Algorithmen und benutzerfreundlichere kommerzielle CFD-Codes. Der Einsatz von CFD wurde zudem durch den Übergang von Konstruktionen auf der Grundlage von 2D-Zeichnungen zur 3D-Konstruktion unter Verwendung von Volumenkörpermodellen gefördert.

Das PLM-Konzept oder „Produktlebenszyklusmanagement“ ist aus dem Wunsch heraus entstanden, die parallele Konstruktion durch Wiederverwendung der gleichen umfassenden 3D-Daten während des gesamten digitalen Konstruktions- und Produktionsprozesses zu beschleunigen. Ein wesentlicher Schritt beim Erreichen dieses Ziels besteht darin, Analyse und Simulationsergebnisse, die Betriebsmodi, strukturelles/mechanisches Verhalten, Fluidströmungs-/ thermisches Verhalten usw. beschreiben, in den etablierten mechanischen Konstruktionsprozess zu integrieren. Beim heutigen parallelen Konstruktionsansatz sind häufig Voraussagen zur Realisierbarkeit und Leistungsfähigkeit einer neuen Konstruktion erforderlich, bevor wichtige Entscheidungen zu den Konstruktionsdetails getroffen werden.

Die Simulation spielt bei der Entwicklung derartiger Produkte eine Schlüsselrolle. Die mechanische und Strukturanalyse ist bereits recht gut in etablierte Software für die mechanische Konstruktion (MCAD) integriert. Doch die berühmten Navier-Stokes-Gleichungen, die Fluidströmungs- und Wärmeübertragungsprozesse beschreiben, sind inhärent komplexer und nicht linear und daher mathematisch schwieriger zu lösen als Gleichungen, die mechanische Spannungen und Volumenverformungen beschreiben. Nicht zuletzt aus diesem Grund haben Unternehmen, die CFD-Software entwickeln, mehr Mühe darauf verwendet, die Entwicklung ihrer mathematischen Algorithmen zu beschleunigen, statt ihre Software in etablierte Konstruktionsumgebungen zu integrieren. Viele kommerzielle CFD-Unternehmen behaupten, dass ihre Produkte in etablierte Konstruktionssoftware integriert sind, doch bei näherer Betrachtung lässt diese „Integration“ viel zu wünschen übrig und erfüllt die Anforderungen der vollständig integrierten simultanen Entwicklung nicht.

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