Trends in der Simulation: Mit SOLIDWORKS Simulation, SOLIDWORKS Flow Simulation und SOLIDWORKS Plastics für die Zukunft gerüstet
Der wahrscheinlich größte Erfinder aller Zeiten Thomas Alva Edison prägte durch seine Arbeitsweise die Produktentwicklung bis zum heutigen Tag.
Für seine wohl bekannteste Erfindung der massen tauglichen Glühlampe führte er und seine Mitarbeiter aufwändige und kostspielige Testreihen im Labor durch. Nach 1,5 Jahren konnte dann ein Ergebnis mit bahnbrechendem Erfolg präsentiert werden. Edisons Leitsatz war: Auch ein Fehlschlag ist ein Schritt in Richtung der Lösung.
Durch den Einsatz von modernen Simulations-Werkzeugen lässt sich dieser empirische Ansatz von der Werkstatt in die virtuelle Welt der Computer übertragen und damit effizienter gestalten. Thomas Alva Edison wäre begeistert gewesen.
Über die Jahre haben sich einige Trends in der Simulation herauskristallisiert. SOLIDWORKS ist mit seinen Simulationswerkzeugen SOLIDWORKS Simulation, SOLIDWORKS Flow Simulation und SOLIDWORKS Plastics immer am Puls der Zeit. Im Folgenden lesen Sie über diese Entwicklungen.
Trend 1: Simulation verändert die Arbeit des Experten
In allen Berufsfeldern, in denen die Simulation Einzug hält, ändert sich die Aufgabenstellung der dort tätigen Experten. Herkömmlich ist der Experte der Entscheider. Er gibt die Richtung vor und definiert die nächsten Schritte. Natürlich wird diese Aufgabe oftmals auf mehreren Schultern aufgeteilt. Dieser Weg wird sodann unter Einsatz von nicht unerheblicher Ressourcen in die Tat umgesetzt. Der Erfolg der Maßnahme kann erst am Schluss ermittelt werden. Wenn möglich lassen sich Änderungen nachträglich einfügen und in weiteren Iterationsschleifen dieser Weg zum Ziel geführt werden.
Durch den Einsatz eines Simulations-Tools wandelt sich nun die Aufgabe des Experten. Dieser gibt nicht mehr den Weg vor, sondern definiert die zum erfolgreichen Beschreiten notwendigen Randbedingungen. Anschließend werden alle daraus möglichen Wege simuliert, d.h. vom Computer berechnet. Voraussetzung ist ein mathematisches Modell, welches den Sachverhalt ausreichend genau beschreibt. Der Experte kann nun den erfolgreichsten Weg aus den Ergebnissen auswählen und in die Tat umsetzen. Die Ressourcen werden nun direkt zur Zielerreichung eingesetzt. Dies spart nicht nur Zeit, sondern auch Geld.
Dies wird an zwei Beispielen deutlich. Im Wahlkampf greifen die Parteien bzw. die Spitzenkandidaten auf Wahlkampfexperten zurück. Bisher werteten diese Experten die verfügbaren Umfrage- und Meinungsforschungsergebnisse aus und leitete daraus eine Strategie ab. Am Wahlabend zeigte sich der Erfolg dieser Strategie. In diesem Fall ist eine Kurskorrektur nicht mehr möglich.
Im US-Wahlkampf 2012 setzte die Kampagne von Barack Obama auf die Simulation. Die Wahlkampfexperten erstellten ein mathematisches Modell, welches den Wechselwähler beschrieb. Anschließend definierten sie für ca. 100 Parameter die Randbedingungen. Aus den Ergebnissen der Simulation ließ sich nun die erfolgreichste Strategie für die einzelnen Wählergruppen ableiten. Das Ergebnis sprach für die Obama Kampagne. Die entscheidenden Wechselwähler konnten gewonnen werden.
Ein konkretes Beispiel aus dem Maschinenbau ist die Produktentwicklung. Herkömmlich wird hier viel mit Prototypen gearbeitet. Der Konstrukteur als Experte definiert die Gestaltung. Hier schließt sich auch wieder der Kreis zu Thomas Alva Edison. Unter Einsatz von Zeit und Kosten wird in mehreren Iterationsschleifen das ausgereifte Produkt entwickelt. Auch im Sondermaschinenbau wird dieses Verfahren angewandt. Nur wird hier der ausgereifte Prototyp letztendlich verkauft.
Durch den Einsatz eines Simulationswerkzeugs lässt sich die Produktentwicklung effizienter durchführen. Der Konstrukteur erstellt weiterhin in SOLIDWORKS sein parametrisches 3D-Modell. Nun setzt er allerdings die entscheidenden Parameter als Variablen und gibt einen logischen Wertebereich vor. Die Simulation berechnet nun alle möglichen Szenarien durch und listet die Ergebnisse übersichtlich auf. In der Festigkeitsberechnung von SOLIDWORKS Simulation heißt diese Funktion Konstruktionsstudie (siehe Abbildung 1). In der Strömungssimulation von SOLIDWORKS Flow Simulation können mit parametrischen Studien solche statistischen Versuchsauswertungen durchgeführt werden. Der Konstrukteur kann anschließend die richtigen Parameter den Ergebnissen entnehmen und somit den optimalen Entwurf der Fertigung freigeben.
Trend 2: Schwerpunkt auf einfache Bedienung
Ein weiterer Trend in der Simulation ist, dass die Anwendung sich aus den dunklen Kellern der Berechnungsspezialisten hin in die heiligen Hallen der Konstruktion verlagert. Die Validierung erfolgt direkt durch den Konstrukteur. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Konstrukteur äußerst genau über den Einsatzort und die Randbedingungen der Konstruktion Bescheid weiß. Es entfällt die Schnittstelle zum Berechnungsingenieur. Das spart Zeit und beseitigt die Fehlerquelle falscher Ergebnisse durch Kommunikationsfehler.
Voraussetzung ist allerdings eine einfach und intuitiv zu bedienende Benutzeroberfläche. SOLIDWORK hat diesen Trend schon sehr früh erkannt. Bereits im Jahr 2001 wurde mit COSMOSWorks die konstruktionsbegleitende Simulation in das CAD integriert (siehe Abbildung 2). Diese Integration wurde über die Jahre weiter verbessert und die Benutzeroberfläche weiter vereinfacht. Mit SOLIDWORKS Simulation und SOLIDWORKS Flow Simulation ist es heute selbstverständlich, dass Materialeigenschaften, Blechdicken und Schweißabstände automatisch in der Simulation berücksichtigt werden. Die Randbedingungen, wie Lasten, Kontakte, Verlustleistungen, Volumenströme, etc., lassen sich bereits im Einzelteil oder der Unterbaugruppe vordefinieren. Setzt nun der Konstrukteur aus diesen Komponenten die Gesamtbaugruppe zusammen, können diese Randbedingung direkt importiert werden. Die Simulation erfolgt nun auf Knopfdruck.
Technologien, die bisher den Simulationsspezialisten vorbehalten waren, finden mehr und mehr den Weg in die Konstruktionsabteilungen. Mit der SOLIDWORKS Topologiestudie bietet sich dem Konstrukteur zum Beispiel eine einfache Möglichkeit seine Entwürfe zu optimieren. Eine Art künstliche Intelligenz findet für den verfügbaren Bauraum und die gegebenen Lastfälle die Geometrie mit bestem Verhältnis aus Gewicht und Steifigkeit. Da dies direkt in SOLIDWORKS erfolgt, kann die Geometrie ohne importieren in der Konstruktion weiterverwendet werden (siehe Abbildung 3).
Durch die konstruktionsbegleitende Berechnung ist es möglich, zu einem sehr frühen Zeitpunkt die Funktionalität der Baugruppe zu testen und zu optimieren. Schwachstellen können so ohne großen Aufwand behoben werden. Die Konstruktion beginnt bereits mit dem optimalen Entwurf und liefert somit auch das beste Endprodukt.
Trend 3: Vielseitige Berechnungsmöglichkeiten
Abschließend muss noch auf eine weitere Entwicklung im Bereich der Simulation eingegangen werden. Mit stetiger Weiterentwicklung der Gleichungslöser und gleichzeitiger Vervielfachung der Rechnerleistung nahmen auch die Simulationsmöglichkeiten zu. Durch die Zunahme des verfügbaren Arbeitsspeichers, unter anderem auf Grund der 64-bit Technologie, konnten immer größere Netze berechnet werden. Durch die Verbesserung der Prozessoren und die Parallelisierung auf mehrere Kerne ließen sich die Berechnungsgeschwindigkeiten erheblich verkürzen.
Anfänglich wurden mit COSMOSWorks im Jahr 2001 fast ausschließlich Einzelteile bzw. einfache Kontaktprobleme gerechnet. Auf die Ergebnisse musste mehrere Stunden gewartet werden. Heute werden Einzelteilberechnungen in Sekunden fertiggestellt. Mit den gesteigerten Möglichkeiten nahmen aber auch die Ansprüche zu. Es ist selbstverständlich geworden, dass ganze Baugruppen simuliert werden. In diesen Berechnungen werden auch eine Vielzahl unterschiedlichster Kontakte und Verbindungselemente berücksichtigt. Somit beträgt die Berechnungszeit zwar weiterhin mehrere Stunden, allerdings ist die Aussagekraft der Ergebnisse um Weiten größer.
Neben der Hardware wurde auch an den Solvern selbst stetig weiterentwickelt. Zu Beginn des COSMOSWorks Solvers wurde ein mathematisches Modell für statisch-lineare Festigkeitsberechnungen implementiert. Mit der Zeit wurde die Funktionalität um thermische, nicht-lineare und dynamische Berechnungsmöglichkeiten erweitert. Zusätzlich wurden für SOLIDWORKS weitere Zusatzanwendungen entwickelt. Mit SOLIDWORKS Flow Simulation wurde eine dreidimensionale Strömungssimulation integriert. EMWorks erweitert die Simulationsmöglichkeiten um elektro-magnetische Berechnungen. So können zum Beispiel Magnetfeldstärken oder Wirbelströme direkt im CAD-Modell berechnet werden. Die Bewegungssimulation industrialPhysics erlaubt die virtuelle Inbetriebnahme ganzer SOLIDWORKS Anlagenmodelle.
Es werden allerdings nicht nur neue Solver entwickelt und integriert, sondern die bestehenden Gleichungslöser immer besser miteinander verknüpft. Schon heute ist es ohne großen Aufwand möglich in SOLIDWORKS Flow Simulation berechnete Druck- oder Temperaturlasten in eine Festigkeitsberechnung zu übernehmen (siehe Abbildung 4). Genauso können berechnete Magnetfeldkräfte aus EMWorks in eine Bewegungsanalyse übernommen werden. Dadurch multiplizieren sich die Einsatzbereiche der Simulation nochmals.
Fazit
Die letzten Jahre haben gezeigt, dass sich die Simulationswerkzeuge rasant weiterentwickelt haben. Denn es gibt für die verschiedensten Aufgabenstellungen geeignete Lösungsansätze. Diese Lösungsansätze stehen durch die verbesserte Benutzerfreundlichkeit jedem zu Verfügung. Diese Entwicklung wird sich sicherlich in den nächsten Jahren weiter intensivieren. In vielen Bereichen ist die Simulation schon heute nicht mehr wegzudenken. Daher wird auch zukünftig die Bedeutung von Simulationswerkzeugen weiter zunehmen.
Durch die Entwicklung von intelligenten Computersystemen wird sich auch die Simulation weiter verändern. Gerade in der Produktentwicklung wird sie zentraler Bestandteil werden. Das CAD-System wird selbstständig Konstruktionsempfehlungen für gegebene Konstruktionsaufgaben unterbreiten. Bisherige Konstruktionserfahrungen, Messdaten aus aktuellen Produkten und variantenreiche Simulationen werden zu optimalen Produkten verknüpft.
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