Multidisziplinäre Analysen

Moderne Lösungen zur Modellierung der Interaktionen zwischen mehreren
Disziplinen für mehr Genauigkeit, Produktsicherheit und Verlässlichkeit
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In den meisten Unternehmen wird CAE als isolierte Aufgabe in einem einzigen Team oder einer Ingenieursdisziplin durchgeführt. Für eine Vielzahl von Aufgaben ist es ausreichend, sich auf die monodisziplinäre Simulation einer Einzelkomponente oder Baugruppe zu konzentrieren. Heutzutage müssen jedoch immer öfter komplexe Strukturen von der Systemebene aus beurteilt werden. Die Leistung, Sicherheit und Verlässlichkeit der Komponenten und Baugruppen wird dabei stark von den Interaktionen zwischen den Disziplinen beeinflusst.

Multiphysik-Anwendungen können einige dieser Interaktionen ansprechen, aber oft sind die mathematischen Grundlagen der Disziplinen von Grund auf verschieden. Mehrkörperdynamik, FEA und Modelle von Regelsystemen haben beispielsweise nicht dieselben numerischen Grundlagen. Multidisziplinäre Berechnungen ermöglichen den Datenaustausch zwischen Anwendungen aus fast jedem mathematischen Bereich, sodass eine Modellierung und Analyse auf Systemebene durchgeführt werden kann. Die multidisziplinäre Analyse ermöglicht die Integration von FEA, Regelsystemen, Mehrkörperdynamik und mehr, sodass eine Co-Simulation über die Grenzen der Ingenieursdisziplinen hinweg ermöglicht wird.

Die multidisziplinären Lösungen von MSC bieten vielfältige Möglichkeiten. Gekoppelt werden können zum Beispiel Kinematiksysteme und Strukturmodelle, thermische und mechanische Phänomene oder Fluid und Struktur. Die robusten Solver von MSC geben Ingenieuren die Möglichkeit, äußerst komplexe entwicklungstechnische Herausforderungen zu meistern. Je nach Art der Analyse können Ingenieure die Lösungen auf zweierlei Weise verwenden: Entweder mit direkter Kopplung (Analyse des Modells mit mehreren physikalischen Disziplinen gleichzeitig) oder mit automatischer Verknüpfung (Einzelne Disziplinen werden mit Schnittstellen gekoppelt).

Zu den Stärken von MSC Software im Bereich multidisziplinärer Analysen zählen:
Motion structure interaction stress in lower control arm


Modal model with integrated flexible component
 

Ingenieure bestimmen mit Hilfe der Mehrkörperdynamik kinematisches Verhalten (Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen) und dynamisches Verhalten (Kräfte, Momente) von mechanischen Baugruppen. Diese Analysen 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. Mit der Finiten Elemente (FE)- Analyse dagegen können lineare und nichtlineare Materialeigenschaften einzelner Komponenten einer Baugruppe untersucht werden. FE-Analysen ermöglichen genaue Einblicke in das Verhalten der Komponenten sowie die Prognose von Spannungen und möglichem Versagen.

Die integrierten multidisziplinären Lösungen von MSC vereinen die Vorteile beider Seiten: ein einfaches, robustes dynamisches Modell kombiniert mit ausgewählten, flexiblen FE-Komponenten. Die Lösungen beruhen auf den zwei Kernsolvern von MSC: Adams und MSC Nastran. MSC Nastran ist die weltweit führende Software für FE-Analysen 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
 

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 dem Modul Mechatronics in Adams 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 Interaktionen zwischen Fahrzeug und Regelsystem, 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
 

Temperaturänderungen haben oft Auswirkungen auf das Strukturverhalten von Materialien und führen zu einer Änderung der mechanischen Reaktion. Es ist wichtig, die Auswirkungen von Temperaturänderungen und mechanischen Reaktionen zu verstehen, um die Qualität und lange Lebensdauer vieler Produkte gewährleisten zu können. Abhängig von der Größe der Temperaturänderungen und den verwendeten Werkstoffen können Temperaturänderungen zu Verformungen führen, was viele unerwünschte Folgen hat. Bei Bremssystemen führt die Reibung beispielsweise zu Wärmeerzeugung in Bereichen der Bremsscheibenstruktur. Diese Temperaturänderungen können zu Verformungen führen, die dann eine unerwünschte Geräuschentwicklung nach sich ziehen.

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 multidisziplinären Lösungen von MSC können Ingenieure die verschiedenen Interaktionen simulieren und die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf das Strukturverhalten berechnen.

Smooth particle hydrodynamics


Hydroplaning solved with MSC Nastran

Drop test of blood bag
 

Ziel der Modellierung von Fluiden 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. Fluiden 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 Fluiden werden doppelte Schemata benötigt.

Die Herausforderung bei der Kopplung von Fluiden und Strukturen in einer einzigen Analyse 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 Eulerschen Netz als Grenze für den Materialfluss und überträgt gleichzeitig Spannungen auf das Lagrange-Strukturnetz, die es verformen.

MSC 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 MSC Nastran präzise bearbeiten. Die Lösungen für die Fluid-Struktur-Kopplung werden für die Simulation komplexer Modelle verwendet, zum Beispiel für Airbags, das Schwappen von Flüssigkeiten in Tanks, Aquaplaning, Flaschenabfüllung und Blutbeutelfalltests.


MSC Software wird in vielen Bereichen der multidisziplinären Simulation eingesetzt:
  • Gekoppelte thermisch-mechanische Analyse
  • Gekoppelte thermisch-mechanische Analyse
 
  • Akustisch-strukturelle Kopplung
  • Bewegungs- & Strukturanalyse
  • Fluid-Struktur Kopplung
  • Analyse von Regelsystemen
Industrielle Anwendungen:
  • Luft- & Raumfahrt: Flugzeugtriebwerke, Tragflächen, Radarhauben, Fahrwerk, Helikopterrümpfe, Rotorblätter von Helikoptern
  • Fahrzeugtechnik: Bremssysteme, Motoren, Karosserieverkleidung, Regelsysteme, Aufhängungen
  • Konsumgüter: Sportartikel, Verpackungen, Kühlung von elektronischen Systemen, Fahrradrahmen
  • Energie: Windturbinen, Solarzellen, Offshore-Konstruktionen, Unterseerohre
MSC Software Produkte: 

Dytran

Explizite Dynamik & Fluid-Struktur-Kopplung

Easy5

Simulation von Regel- & Steuertechnik

FEA, AFEA & TFEA

Lineare, nichtlineare & thermische Analysepakete für den Desktop

MSC Nastran

Multidisziplinäre FEA-Lösung

Patran

Pre- & Postprozessor für CAE-Modellierung