CFD-Simulation, Bild: Dassault Systèmes

In vielen Unternehmen der Fluidbranche ist die CFD-Simulation ein wichtiger Prozess in der Enwicklung. Bild: Dassault Systèmes

In der neunten fluid-Expertenrunde diskutierten Experten über die Simulationssoftware als begehrtes Mittel um Kosten und Entwicklungszeit einzusparen. Aber was kann die Simulation heute leisten? Dazu äußerten sich Dr. Konrad Steiner,
Abteilungsleiter Strömungs- und and Materialsimulation und Geschäftsführer Fraunhofer Leistungszentrum Simulation- und Softwarebasierte Innovation, sowie Thomas Zanzinger, Geschäftsführer von Ansys Germany.

Konrad Steiner, Bild: Fraunhofer ITWM
Dr. Konrad Steiner vom Fraunhofer ITWM. Bild: Fraunhofer ITWM

Was kann die Simulation heute schon leisten?

Dr. Steiner: Strömungssimulation ist heute eine ausgereifte Technik in der Fluidbranche, um hydraulische oder pneumatische Apparate anwendungsgerecht auszulegen. Auch wenn es komplexe Strömungsprobleme gibt, bei denen kommerzielle CFD-Tools entweder aufgrund zu hohen numerischen Aufwandes oder aus Stabilitätsgründen noch einiges an Expertenwissen benötigen. Strömungsberechnungen sind extrem hilfreich und effizient, um in einem Produktentwicklungsprozesse frühzeitig verschiedene Varianten hinsichtlich ihrer funktionalen Eignung zu bewerten. Aber natürlich ist ein CFD-Tool nur ein Werkzeug in Händen des Konstrukteurs und daher nur so gut wie dieser ein CFD-Tool beherrscht. Richtige Spezifikation und die Erstellung eines korrekten Gitters, wie auch die Interpretation der Ergebnisse erfordern je nach Problemstellung eine gewisse Erfahrung.

Zanzinger: Mithilfe von Simulationen können physikalische und chemische Zusammenhänge und Prozesse untersucht werden, welche sonst nicht sichtbar oder messbar sind. Simulationen sagen das Verhalten von Produkten voraus, helfen optimale Designs und Betriebsbedingungen zu definieren und Ausfälle zu vermeiden. Produkte sind heutzutage keine Einzelkomponenten mehr, sondern hochkomplexe Systeme, wie Pumpen oder Batterien, oder bestehen sogar aus einer Vielzahl von Systemen – wie Autos. Mithilfe von Systemsimulationen können am Rechner digitale Zwillinge eines realen Produkts erstellt werden und so die Kosten für Prototypenerstellung und Tests reduziert werden.

Wie weit sind Unternehmen in der Fluidbranche in der Simulation?

Dr. Steiner: Das ist sehr unterschiedlich. Wie haben viele Kunden und Anfragen von Firmen, die eine grundlegende Beratung über die Möglichkeiten von CFD-Tools erfragen oder eine erste Simulationsanfrage stellen. Andererseits gibt es aber auch schon viele Firmen, die seit vielen Jahren Strömungssimulationen zur täglichen Auslegung Ihrer Produkte, insbesondere zur Einhaltung von Qualitätsstandards, nutzen und somit Zeit und Kosten für aufwendige Prüfungen sparen.

Zanzinger: Simulationen werden heutzutage in fast allen Unternehmen der Fluidbranche eingesetzt, vom Ein-Mann-Unternehmen bis hin zu großen internationalen Firmen. Wer wettbewerbsfähig sein und bleiben möchte, benötigt Simulation. Oft beschränkt sich die Simulation auf die Fachabteilung der Entwickler und Analysten. Viele Firmen haben jedoch schon den Vorteil erkannt, Simulationen bereits in einem früheren Stadium der Produktentwicklung einzusetzen, nämlich kontruktionsbegleitend. Dies verlangt nicht nur eine Schulung der Mitarbeiter, sondern stellt auch eine Herausforderung und Anpassung des Simulationswerkzeugs dar. Ansys bietet Lösungen für alle Anwender: vom Designer bis zum Analysten. Wir gehen davon aus, dass in 2020 jeder Ingenieur durch den Einsatz von Simulation effektiver und produktiver arbeiten wird.

Allgemein können wir sagen, dass sich die Simulation in den letzten und auch den kommenden Jahren stark wandelt und wandeln wird. Es sind nicht mehr einzelne Spezialisten, welche im hintersten Kämmerchen Simulationen durchführen, die anderen ein großes Rätsel bleiben. Durch neue Technologien und einfache Bedienbarkeit haben sich Simulationen in einem weiten, ständig wachsenden Bereich etabliert, ohne ihre Aussagekraft und Genauigkeit zu verlieren.

Wird die Simulation den Konstrukteur in Zukunft ersetzen?

Dr. Steiner: Die Simulation wird die Arbeitsweise des Konstrukteurs ändern, da eine CFD-Simulation respektive eine mittels CFD-Simulation automatisierte Shape- oder Strukturoptimierung möglich ist. Trotzdem bedarf es des Experten, der diese Berechnung mit all seinen Nebenbedingungen richtig definiert, die Ergebnisse interpretiert und nicht per CFD-Simulation abbildbare Zusatzbedingungen in der Konstruktion mit berücksichtigt. Wie heute schon zu sehen ist, werden sich gerade in der Fluidbranche spezialisierte Konstrukteure etablieren, die auch mit CFD-Tools umgehen können und so schnell strömungsgerecht Ihre Produkte konstruieren.

Thomas Zanzinger, Bild: Ansys
Thomas Zanzinger von Ansys Germany. Bild: Ansys

Zanzinger: Die Simulation wird die Designer nicht ersetzen, sondern ihre Rolle verstärken und den Arbeitsalltag interessanter und anspruchsvoller machen. Vor allem die Aufgaben, die an die Designer gestellt werden, ändern sich. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass neben Gewichtsreduktion oder Materialeinsparung auch die Berücksichtigung der Strömungseigenschaften wie Vermeidung von Totgebieten, Einhaltung des Druckabfalls und Ähnliches bald zum Aufgabengebiet der Designer gehört. So spielen Strömungsaspekte bei der Auslegung mechanischer Bauteile von Anfang an eine Rolle.

Ein weiterer Vorteil des verstärkten Simulationseinsatzes ist die Verbesserung der Kommunikation zwischen den Designer- und Berechnungsabteilungen, durch den erhebliche Synergieeffekte entstehen können. Zum einen können die Designer die Erfahrung der Berechnungskollegen zunehmend übernehmen und bei der Auslegung berücksichtigen. Das steigende technische Produktverständnis der Designer fördert die Qualität der Produkte und führt zu schnellerer Durchsetzung von Innovationen und gleichzeitiger Reduktion der Designschleifen. Auf der anderen Seite erleichtert er die Akzeptanz für die konstruktive Verbesserungsvorschläge der Berechnungsingenieure, da gemeinsame Sprache gesprochen wird.

Der Erfolg des Simulationseinsatzes in der Konstruktionsabteilung hängt aber auch stark von dem Berechnungsprogramm ab. Zum einen muss es intuitiv und schnell erlernbar sein, sodass mit der Funktionssuche keine unnötige Zeit vergeudet wird. Die Software muss zudem direkt an die CAD-Software gekoppelt und deren Kommunikation schnell sein, damit konstruktive Veränderungen sofort untersucht werden können.

Jedes wichtige oder interessierende Ergebnis oder Randbedingung muss als Parameter auswählbar sein, damit das Design auf die relevante Zielgrößen hin optimiert werden kann. Solche Ziele sind bei allen Unternehmen unterschiedlich, deswegen ist vor allem die Flexibilität, Robustheit und Einfachheit bei der Erstellung solcher geschlossenen Workflows im Vordergrund. Nicht zuletzt ist auch die Qualität der Ergebnisse von Bedeutung, sie müssen exakt und reproduzierbar sein.

Darauf basierend können objektive Beurteilungskriterien hergeleitet werden, die dann in Form von Checklisten abgearbeitet werden können und die Fehlersuche vorbeugen. hei