CFD-Simulation, Bild: Dassault Systèmes

Darstellung von Strömungstrajektorien am Wärmetauscher. Bild: Dassault Systèmes

Das Engineering von komplexen Maschinen läuft heute in der Regel so ab: Der Ingenieur entwirft das Produkt mit einer CAD-Software. Um Fehlkonstruktionen zu vermeiden, testet er die Funktion des Bauteils oder der Maschine mithilfe von Analyse- und Simulationssoftware. Das spart den Bau teurer Prototypen und Wochen Arbeitszeit, weil er konstruktive Sackgassen schneller erkennt.

Eine Umfrage unter mehr als 500 Entwicklern ergab, dass Computersimulationen gegenüber manuellen Berechnungen und physischen Prototypen deutlich überlegen sind, was das Erreichen von Qualitäts-, Umsatz- und Produktkostenzielen sowie Produktstartterminen angeht.

Vergeudete Zeit bei CAD-Aufbereitung

Doch das ist nur die halbe Wahrheit. Denn was Entwickler an Zeit für physikalische Tests sparen, vergeuden sie häufig mit der Aufbereitung der CAD-Daten für die Simulation. Wenn die Daten nicht vollständig und korrekt übernommen werden, ist die Aussagekraft der Simulation begrenzt.

Konstrukteure sehen oft keinen anderen Ausweg und korrigieren die Daten in der Simulationssoftware manuell oder bauen sogar die komplette Konstruktion noch einmal neu auf. Mit Solidworks Simulation bietet Dassault Systèmes eine Alternative an, bei der beide Disziplinen – Konstruktion und Simulation – assoziativ miteinander verknüpft sind.

Zusammenarbeit verbessern

Vor der Betrachtung des idealen Arbeitsprozesses lohnt es sich, die Ursachen für die oftmals ineffiziente Zusammenarbeit anderer Tools anzuschauen. Ein gutes Beispiel sind Simulationen von Fluid- oder Wärmeströmungen. Computational Fluid Dynamics (CFD) ist für die allermeisten Konstrukteure heute eine auf bewährten mathematischen Grundlagen basierende Standardmethode.

CFD wird unter anderem zur Visualisierung komplexer Strömungsphänomene eingesetzt. Das Verfahren kommt ursprünglich aus der Aerodynamik, also der Umströmung von Autos oder Tragflächen, eignet sich aber genauso für die Wärmeübertragung, etwa an Kühlkörpern in elektronischen Geräten.

Unstimmigkeiten sind Zeitkiller

Anwender von CFD-Software berichten, dass sie oft Tage für die Aufbereitung der Daten brauchen, bei komplexen Strömungssimulation auch mal zwei Wochen. Auch wenn gängige CFD-Software vielleicht 80 Prozent der CAD-Daten korrekt übernimmt, so bleiben doch genug Unstimmigkeiten übrig, die manuell korrigiert werden müssen, um sinnvolle Ergebnisse zu erhalten. Manche Entwickler entscheiden sich sogar dafür, die Geometrie im CFD-Programm noch einmal komplett neu aufzubauen, was sehr zeitaufwendig ist und sinnlose Doppelarbeit bedeutet.

Weitere Einschränkungen herkömmlicher CFD-Programme:

  • Viele Anbieter empfehlen, bei komplexen Geometrien bestimmte Details aus der Konstruktion herauszunehmen. Doch dann ist die Frage, inwieweit die Simulation die spätere Wirklichkeit tatsächlich abbildet.
  • Ein wichtiger Aspekt bei CFD-Simulationen ist die Qualität der Vernetzung der Volumenkörper. Diese muss oft manuell verbessert werden. Idealerweise geschieht so etwas aber automatisch, indem das Netz an wichtigen Stellen, etwa an Grenzschichten, feiner, an unkritischen Stellen dagegen gröber berechnet wird.
  • Kein Ingenieur findet auf Anhieb die perfekte Konstruktion. Nach der Simulation sind Nachbesserungen im CAD-Modell nötig, vielleicht sollen mehrere Varianten durchgerechnet werden. Wenn dann die mühevolle manuelle Anpassung der Veränderungen und Randbedingungen erneut losgeht, explodiert der Arbeitsaufwand geradezu.