3D-CAD-integrierte Strömungssimulation – wertvoll für verschiedene Branchen

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3D-CAD-integrierte Strömungssimulation – wertvoll für verschiedene Branchen

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Mit der in 3D-CAD-Systeme integrierbaren Simulationslösung Simcenter FLOEFD von Siemens Digital Industries Software lassen sich Strömungs- und Thermalsimulationen durch Konstrukteure ausführen und so bereits in frühe Phasen des Entwicklungsprozesses einbeziehen.
Strömungssimulation Auto Scheinwerfer

Quelle: shutterstock/Artic_photo

Dieses „Frontloading“ verkürzt die Zeit zur Marktreife, spart wertvolle Ressourcen, entlastet Berechnungsingenieure und führt zu innovativen Lösungen für technische Aufgabenstellungen in verschiedenen Branchen.  

 von Dr. Anna Selent und Boris Marovic

Ein Trend, der vor Jahren mit Festigkeitsberechnungen begann, hat auch Strömungs- und Thermalsimulationen erfasst: Sie können inzwischen integriert mit 3D CAD-Systemen durchgeführt werden. „Während die ersten integrierten Lösungen zur Festigkeitsberechnung allerdings nur einen rudimentären Leistungsumfang hatten, sind mit Simcenter FLOEFD etwa 85 bis 90 Prozent aller Aufgaben für die Strömungssimulation lösbar“, berichtet Kevin Morbach, Business Development Manager beim Siemens-Partner CAE Innovative Engineering in Bielefeld. 

Das zu Beginn der 1980er Jahre gegründete Entwicklungsunternehmen konzentriert sich heute auf Konstruktion und Simulation für namhafte Auftraggeber und bringt das notwendige Know-how dazu in die Unternehmen mit. „Vor allem im Highend-Bereich fehlen Fachkräfte wie Berechnungsingenieure. Deshalb werden erste Validierungen heute oft konstruktionsintegriert ausgeführt“, erläutert Morbach.

Natürlich spielen dabei auch die Kosten der Produktentwicklung eine Rolle. Diese lassen sich, wie Prof. Dr. Martin Eigner bereits 2010 in einer Studie der TU Kaiserslautern belegt hat, vor allem in der Konzeptphase wirksam reduzieren. Wer seine Projekte hier umfassend absichert, spart bares Geld: Vor allem die Änderungskosten steigen zum Ende der Entwicklungsphase und mit Beginn der Produktion extrem an.

Strömungssimulation: Einfache Anwendung durch CAD-Integration

Mit der Simulationssoftware Simcenter FLOEFD haben die Entwickler von Mentor Graphics gezeigt, dass sich die als komplex geltenden Berechnungen nach der etablierten Finite-Volumen-Methode benutzerfreundlich aufbereitet in verschiedene 3D-CAD-Systeme, wie Catia, Creo, NX und Solid Edge, einbinden lassen. Seit rund zwei Jahren gehört Mentor Graphics zu Siemens Digital Industries Software, die Simcenter FLOEFD in das Simcenter-Portfolio von Simulationslösungen integriert hat. Der Weg zur integrierten Strömungssimulation bleibt für Anwender aller vier CAD-Systeme weiterhin offen und funktioniert wie für NX beschrieben.

StrömungssimulationQuelle: Siemens Industry Software GmbH

Allerdings ist Simcenter FLOEFD die einzige, vollständig in NX eingebettete CFD-Lösung (Computational Fluid Dynamics). Die Bedienoberfläche entspricht derjenigen des CAD-Systems, sodass sich Anwender nicht umstellen müssen. Dazu werden, im Gegensatz zu anderen CFD-Werkzeugen, auch die CAD-Daten aus NX direkt, also ohne Schnittstellen, Umwandlungen oder Kopien verarbeitet. Ein weiterer Vorteil von Simcenter FLOEFD liegt darin, dass Anwender den Strömungsraum nicht erst aus der CAD-Geometrie ableiten müssen. Das Tool erkennt die durch- oder umströmten Bereiche quasi automatisch. Zudem entfällt die übliche manuelle Vernetzung, weil das Programm die Finite-Volumen-Berechnungen mit „SmartCells“ und kartesischen Zellen durchführt. 

Simcenter FLOEFD – äußerst benutzer­freundlich für Konstrukteure

„Simcenter FLOEFD wurde speziell für Konstrukteure entwickelt und ist daher extrem benutzerfreundlich“, erklärt Rolf Bröske, Geschäftsführer des Siemens-Partners Smart Engineering, einem 1996 gegründeten Ingenieur-Dienstleister mit Schwerpunkt auf numerischen Simulationen, speziell FEM und CFD. „Nach ein bis zwei Tagen Workshop und etwas Praxiserfahrung erleben unsere Kunden damit eine frustfreie Simulation.“ Der Konstrukteur wird von einem digitalen Assistenten durch einen teilautomatischen Prozess bis zum Ergebnis geführt.

Ohne Arbeitsschritte wie Geometrie-Übertragung, Eingrenzung des Strömungsraumes und manuelle Vernetzung sowie die mit Schnittstellen für das Pre- und Postprocessing verbundenen Nacharbeiten verringert sich der Zeitaufwand für Simulationen nach Branchenerfahrungen um bis zu 75 Prozent. Da die Konstrukteure nicht von den Arbeits- und Antwortzeiten der angefragten Spezialisten abhängig sind, werden die gesamten Zeitspannen der Optimierungsschleifen ebenfalls kürzer. Schließlich lassen sich die CAD-Modelle entsprechend den Ergebnissen sofort ändern. Diese Zeitersparnisse können Anwender nutzen, um mehr Versuche durchzuführen und neue Möglichkeiten zu entdecken: „Mit Simcenter FLOEFD erstellen wir auf einfache Weise viele unterschiedliche Simulationsszenarien, die den Entwicklungsingenieuren die Beurteilung von Verbesserungen erlauben“, berichten die Experten bei Dannfoss Drives, dem 1968 gegründeten Serienhersteller von Frequenzumrichtern und Vorreiter in der Antriebstechnik sowie in weiteren digitalen Lösungen mit über 1.000 Entwicklungsingenieuren.

Nicht nur für die Strömungssimulation: Integrierte Multiphysik für viele Branchen

Die Leistungen von Simcenter FLOEFD beschränken sich keineswegs auf die Strömungssimulation – die ohnehin schon ein breites Anwendungsfeld darstellt. Es beginnt bei der Optimierung der Aerodynamik von Fahrzeugen, Flugzeugen oder der Auslegung von Pumpen. Durch die Kombination mit thermischen Analysen erweitert sich das Anwendungsfeld zudem um Anwendungen in Heizung, Lüftung, Klima und Kühlung – vom Kraftwerksbau bis zur Elektronik. So erklären die Experten bei Danfoss Drives: „Simcenter FLOEFD liefert uns ultimative Vorhersagen der Oberflächentemperaturen des IGBT/ShowerPower Systems, einem flüssigkeitsbasierten Hochleistungskühlsystem für kundenspezifische IGBT-Leistungsmodule, bevor wir zu einem finalen Prototyp iterieren, ihn bauen und testen.“

Um die Vorhersage der Wärmeentwicklung geht es auch bei der Entwicklung von LED-Scheinwerfern in der Automobilindustrie: „Bei Renault haben wir die Scheinwerferkosten zwischen 2014 und 2016 um 50 Prozent reduziert und visieren nun weitere 50 Prozent Kostenreduzierung für unsere LED-Scheinwerfer der 3. Generation von 2018 bis 2020 an“, erklärt Paul-Henri Matha, ein Experte für Scheinwerfer bei Renault. „Den Hauptvorteil von Simcenter FLOEFD sehen wir darin, dass ein Thermalingenieur mehr als doppelt so produktiv sein kann, als früher.“

Wer vorhandene Produkte optimieren oder Projekte bereits in der Konzeptphase überprüfen will, findet mit der Design Space Exploration von FLOEFD das richtige Werkzeug. Nach Eingabe der Geometrie sowie den Parametern für Werkstoffe, Strömungen und Temperaturen in die Entwicklungsumgebung legt man das Entwicklungsziel fest – zum Beispiel die Reduzierung der Massen. Dann testet der Rechner eine Vielzahl von Varianten durch, bis die perfekte Geometrie mit der geringsten Masse erreicht ist. SG 

Dr. Anna Selent ist Head of Channel 
Business Development bei Siemens 
Industry Software GmbH. 
Dipl.-Ing. Boris Marovic ist Technical 
Manager FLOEFD Products, Mentor 
Graphics, a Siemens Business.

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