Virtuell testen bis zum Bruch

Der Faktor Zeit hat mittlerweile in allen Bereichen der Fertigung Einzug gehalten. Ein wichtiges Hilfsmittel sind hier Computer Aided Engineering (CAE)-Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die Bewegungssimulation und die numerische Strömungsmechanik (CFD). Mit ihnen lassen sich Teile, Baugruppen oder Produkte optimal auslegen. Der 3D-CAD-Software-Hersteller SolidWorks Deutschland GmbH bietet mit seiner Analysesoftware Cosmos weitere Werkzeuge zur Konstruktionsprüfung, die einfach zu bedienen sind und kein Expertenwissen voraussetzen.

Bei der Finite-Elemente-Analyse unterscheidet man im Wesentlichen drei Vorgehensweisen: die lineare, die nicht-lineare und die nicht-lineare dynamische FEA. Die lineare Analyse geht davon aus, dass das analysierte Modell während des gesamten Verformungsprozesses die gleiche Steifigkeit aufweist und sich weder Form noch Materialeigenschaft ändern. Die nicht-lineare Analyse nimmt keine konstante Steifigkeit an und wird daher immer dann eingesetzt, wenn sich ein Teil oder eine Baugruppe unter Betriebsbedingungen verändert. Die nicht-lineare dynamische FEA hingegen berücksichtigt zusätzlich noch Trägheitsmomente, Dämpfungseffekte und zeitabhängige Lasten.

Unterliegen mechanische Komponenten während des Betriebs intensiven, zyklischen Lastwechseln, so können diese im Betrieb versagen. Grund dafür ist die Materialermüdung, die bereits im Vorfeld beurteilt, vorhergesagt und vermieden werden sollte. Mit dem FEA-Analysetool CosmosWorks lassen sich Bereiche mit Spannungskonzentrationen und die voraussichtliche Lebensdauer der Konstruktion im Voraus bestimmen. Dabei berücksichtigt die Analysesoftware die zu erwartenden Betriebslasten und die verwendeten Materialien sowie die möglichen Interaktionen mehrerer Lastfälle.

Neben Formstabilität müssen Konstrukteure auch die kinematischen und dynamischen Eigenschaften neuer Produkte im Auge behalten. Hier greift die Bewegungssimulation. Sie liefert vollständige, quantitative Informationen über die Kinematik und Dynamik aller Komponenten eines beweglichen Mechanismus. Mit dem virtuellen Prototypenwerkzeug CosmosMotion können Konstrukteure beispielsweise Druck- und Zugfedern untersuchen, Verbindungsglieder anordnen, Kurvenglieder ermitteln oder auch die Verhaltensweisen von Teilen mit Kontaktstellen verstehen.

Als drittes CAE-Werkzeug kommt die numerische Strömungsmechanik zum Einsatz. Damit lassen sich Flüssigkeits- und Gasströmungen simulieren und Konstruktionen im Hinblick auf die Strömung von Fluids, die Wärmeübertragung und die auf eingetauchte oder umgebende Komponenten wirkenden Kräfte analysieren. SolidWorks bietet hier CosmosFloWorks an. Das Produkt kann ein breites Spektrum echter Fluids analysieren wie etwa geschmolzene Kunststoffe aber auch Öl oder Wasser. Die Simulation führt das Programm unter realitätsgetreuen Betriebsbedingungen durch und zeigt die Ergebnisse mit Hilfe seiner Visualisierungswerkzeuge an.

Um am Ende des Tages das optimale und rentabelste Produkt vorliegen zu haben, müssen sich Konstrukteure verschiedenster Hilfsmittel bedienen. Die Software Cosmos gehört dazu und ist aus einer wirtschaftlichen Wertschöpfungskette der verarbeitenden Industrie nicht mehr wegzudenken.

Andreas Spieler SolidWorks, Haar

Sicher konstruieren durch simulierte Bewegungen