Multidiscipline

Motion structure interaction stress in lower control arm

Modal model with integrated flexible component

Motion-Structural Analysis

Ingenieuren bestimmen mit Hilfe der Mehrkörperdynamik kinematisches Verhalten (Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen) und dynamisches Verhalten (Kräfte, Momente) von mechanischen Baugruppen. Bewegungsanalysen eignen sich gut dazu, das Verhalten des Gesamtsystems vorherzusagen. Allerdings geht sie üblicherweise von starren Strukturkomponenten aus. Daher kann die Bewegungsanalyse keine Verformungen oder Spannungen in den einzelnen Komponenten einer Baugruppe vorhersagen. In die Finite Elemente Analyse (FEA) dagegen können lineare und nichtlineare Materialeigenschaften einzelner Komponenten einer Baugruppe einbezogen werden. FEA ermöglicht daher genaue Einblicke in das Verhalten der Komponenten sowie die Prognose von Spannungen und möglichem Versagen.

Die integrierten multidisziplinären (MD) Lösungen von MSC.Software vereinen die Vorteile beider Seiten: ein einfaches, robustes Bewegungsmodell mit ausgewählten, flexiblen FE-Komponenten. Die Lösungen beruhen auf den zwei Kernsolvern von MSC: Adams und Nastran. Nastran ist die weltweit führende Software für FEA von strukturmechanischen Systemen. Adams ist die am häufigsten eingesetzte Software für kinematische und kinetische Analysen von Mehrkörpersystemen. Durch Integration beider Technologien in eine gemeinsame Anwenderumgebung erreicht MSC eine beispiellose Effizienz und Genauigkeit bei der multidisziplinären Lösung von Bewegungs- und Strukturproblemen.

Satellite dish with integrated control system

Optimizing size and performance for a hydraulic pump

Systems and Controls

Ingenieure müssen bei der Konstruktion von mechanischen Systemen wie einer Fahrzeugaufhängung, einem Flugzeugfahrgestell oder einem Gabelstapler verstehen, wie die verschiedenen Komponenten (Pneumatik, Hydraulik, Elektronik) interagieren und welche Kräfte (Geräusche, Schwingungen) diese Komponenten im Betrieb erzeugen. Leider werden auch heute noch physische Prototypen mit hohem Zeit- und Arbeitsaufwand getestet, anstatt vorab mehrere virtuelle Konstruktionensvarianten zu analysieren, um die Leistung des Gesamtsystems zu optimieren.

Mit Adams/Mechatronics lassen sich Regelsysteme direkt in mechanische Modelle integrieren. Dazu wird eine externe Systembibliothek aus einer Regelsystem-Anwendung wie Easy5 und MATLAB dynamisch mit Adams verknüpft. Damit werden umfassende Untersuchungen auf Systemebene, beispielsweise Untersuchungen der komplexen Fahrzeug-Controller-Interaktion, wesentlich vereinfacht. Die Regelsystemparameter können zur Auswertung schnell angepasst und in eine Konstruktionsstudie einbezogen werden, um das Regelsystem und das mechanische System gleichzeitig zu optimieren.

Coupled thermal-structural (friction) brake squeal analysis

Thermal-structural effects of welding

Thermal Mechanical

Temperaturänderungen haben oft Auswirkungen auf das Strukturverhalten von Materialien. Diese Wechselwirkung muss bei der Simulation von Komponenten, Bauteilen und Systemen berücksichtigt werden. Vor allem in der Umformtechnik muss bei der Berechnung von Vorgängen wie Gießen, Walzen oder Stanzen oft die thermisch-mechanische Kopplung beachtet werden. Gekoppelte Analysen kommen immer dann zum Einsatz, wenn sich ein Körper so stark verformt, dass sich die Randbedingungen aufgrund der Wärmeübertragung ändern. Große Verformungen wandeln mechanische Bewegungen in Wärme um. Eine Änderung der Temperaturverteilung trägt zur Deformation eines Körpers, bei da sich thermische Belastungen und Materialeigenschaften ändern.

Die Notwendigkeit der Kopplung von Struktur- und Thermalanalysen wird auch bei der Berechnung eines Motors deutlich. Ein laufender Motor erzeugt Druck im Zylinderkopf und aufgrund der entstehenden Hitze dehnen sich alle Bestandteile des Motors aus. Da die Materialien unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten besitzen, werden thermische Dehnungen und Spannungen erzeugt. Zudem ändert sich das Materialverhalten, dazu gehören beispielsweise Steifigkeit und Reibwerte. Mit den thermomechanischen Lösungen in MD Nastran können Ingenieuren die verschiedenen Interaktionen simulieren und die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf das Strukturverhalten berechnen.

Coupled electrostatic-structural analysis of a micro-electromechanical system (MEMS) device

Catheter design with energy source in distal tip

Multiphysics

Die meisten Ingenieure untersuchen jeweils nur ein Phänomen ihrer Produkte, beispielsweise die Struktursicherheit, Elektromagnetismus oder Wärmeverhalten. In der Praxis hängt die Produktleistung aber oft von verschiedenen physikalischen Bedingungen ab, die sich gegenseitig beeinflussen. Wenn Lasten unterschiedlicher physikalischer Art auf Bauteile wirken, sind deshalb multiphysikalische Analysen notwendig. Um zuverlässige und realistische Simulationsergebnisse zu erzielen, werden die verschiedenen physikalischen Probleme in der Multiphysik gekoppelt.

Die multiphysikalischen Lösungen von MSC.Software eignen sich für die genaue Simulation des Verhaltens von Produkten, die verschiedenen Belastungen gleichzeitig ausgesetzt sind. Zu diesen Belastungen zählen Kräfte, Drücke, Strömung, thermische, elektrostatische und elektromagnetische Effekte. Gekoppelte multiphysikalische Simulationen geben wertvolle Einblicke in die Leistung und Herstellbarkeit von Produkten.

Pre-stress – implicit simulation (initial condition for explicit run)

Explicit simulation (simulate damage and extract mass, inertia for rotor dynamics unbalance)

Unbalance loading

Implicit-Explicit-Implicit

MSC.Software bietet multidisziplinäre Lösungen für die integrierte implizit-explizit-implizite Analyse. Diese kommt beispielsweise in der Simulationen von Rotorblattverlusten bei Flugzeugtriebwerken zum Einsatz. Die Vorspannung der Schaufelblätter im Betriebszustand wird implizit berechnet. Wenn es zu einem Rotorblattverlust durch beispielsweise Vogelschlag kommt, wird dieser kurzzeitdynamische Vorgang exlizit analysiert. Der Rotorblattverlust erzeugt eine Unwucht, die dann wiederum implizit berechnet wird. MD Nastran von MSC.Software stellt eine automatisierte, multidisziplinäre Simulationslösung bereit, mit der die Simulation des Rotorblattverlusts innerhalb einer einzigen Modellierungsumgebung optimiert wird.

Smooth particle hydrodynamics

Hydroplaning solved with MD Nastran

Drop test of blood bag

Fluid-Structure Interaction (FSI)

Ziel der Modellierung von Fluids in einer Strukturanalyse ist die Berücksichtigung des Einflusses von Fluiddrücken auf die Struktur. Damit soll das Strukturverhalten genauer prognostiziert werden. Strukturen werden im Allgemeinen mit dem Lagrange-Schema modelliert, bei dem das Material an ein Finite-Elemente-Netz gebunden wird. Fluids dagegen werden mit dem Euler-Schema gelöst, wobei das Material unabhängig vom Netz ist und stattdessen durch das Netz fließt. Aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von Strukturen und Fluids werden doppelte Schemata benötigt.

Die Herausforderung Fluids und Strukturen in einer einzigen Analyse zu modellieren ist, diese unterschiedlichen Schemata in einem Durchlauf einzusetzen. Dies geschieht über einen automatischen Kopplungsalgorithmus, in dem es zwei Netze gibt – eines für die Struktur und ein weiteres für das Fluid. Zwischen diesen beiden Bereichen wird eine Kopplungsfläche erzeugt. Diese wirkt im Euler'schen Netz als Grenze für den Materialfluss und überträgt gleichzeitig Spannungen auf das Lagrange-Strukturnetz, die es verformen.

MD Nastran bietet Problemlösungen für die Modellierung von Flüssigkeiten und Gasen, die mit Strukturen in Wechselwirkung stehen oder von Explosionen und stark nichtlinearen Strukturmaterialien beeinflusst werden. Ingenieure können diese Probleme mit den robusten Funktionen von MD Nastran präzise bearbeiten. Unsere Lösungen für die Fluid-Struktur-Kopplung werden für die Simulation komplexer Modelle verwendet, zum Beispiel für Airbags, das Schwappen von Flüssigkeiten in Tanks (Sloshing), Aquaplaning, Flaschenabfüllung und Blutbeutelfalltests.