Einheitliches Datenmodell für verschiedene Simulationen in der Automobilindustrie

Durchgängig verkettet

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Auf der Suche nach Qualitätsverbesserung und Kostenreduzierung setzt die Automobilindustrie seit vielen Jahren schon auf die Hilfe der numerischen Simulation. Die hier vorgestellte Methode „Unified Finite Element Analysis (FEA)“ bedeutet, dass ein einheitliches Datenmodell für verschiedene Simulationen genutzt wird. Auf die Automobilindustrie angewendet, bedeutet „Unified FEA“ die durchgängig verkettete Simula- tion von Festigkeit, N&V und Crash.

Der Fortschritt in den Simulationsmethoden ermöglicht mittlerweile eine Vorhersagegenauigkeit, die vor wenigen Jahren noch undenkbar schien.

In der Vergangenheit ergab sich aber vielfach ein Szenario, dass Noise&Vibration (N&V)-Analysen mit einem linearen Simulationsprogramm durchgeführt wurden, Fragen der allgemeinen Festigkeit mit einem nichtlinearen Analyseprodukt und das Thema Crash oder Missbrauchslasten mit einem Programm untersucht wurde, das auf der expliziten Integra- tionsmethode beruht. Diese künstliche Trennung der Analysemethoden, die einen Verlust an Genauigkeit und einen erheblichen Zusatzaufwand beim mehrfachen Aufbau von Modellen bedeutet, überwindet „Abaqus Unified FEA“. Das Grundkonzept von „Abaqus Unified FEA“ bedeutet eine Vereinheitlichung der Simulation auf ein einziges Datenmodell, auf dem die Berechnungsschritte nicht mehr voneinander getrennt ablaufen, sondern – entsprechend dem physikalischen Pendant – aufeinander aufbauen. Anschaulich wird dies am Beispiel der Motorenberechnung.
Mototrenberechnung mit „Bolt-Down“-Analyse
Die „Bolt-Down“-Analyse zur Verschraubung von Zylinderkopf und Block und die daraus resultierende Erkenntnis zur Belastung der Dichtung und des Verzugs des Motors stehen oft am Anfang der Motorenberechnung. Aufsetzend auf diese Analyse folgt die Wärmeanalyse mit Aussagen über Dichtheit und Verzug unter Temperaturbelastung. Die nachfolgenden Analysen der Vibrationen und der akustischen Eigenschaften sind meist auf Eigenwerten basierende Berechnungen. Die Eigenwerte einer Struktur hängen aber auch von dem jeweiligen Spannungszustand ab, der in dem Bauteil herrscht. Der traditionelle Ansatz der Eigenwertberechnungen mit einem linearen Analysewerkzeug würde als separate Berechnung die Belastungsgeschichte des Bauteils vernachlässigen. Die Bestimmung der Eigenwerte mit „Abaqus Unified FEA“ hingegen berücksichtigt die Effekte und Spannungen aufgrund der Schraubenvorspannung und des Temperatureintrags und ermöglicht somit eine Eigenwertanalyse im Betriebszustand. Die nachfolgende Vibrations- oder Akustikanalyse beinhaltet somit die Verschiebung des Eigenwertspektrums aufgrund der Schraubenvorspannung, der Dichtungsnichtlinearität und der Temperatur und ist somit sehr viel näher am realen Verhalten als eine Analyse ohne Berücksichtigung der Vorspannung.
Crashberechnung mit Newmark- Zeitintegrationsverfahren
Crashberechnung ist ein weiteres Feld, in dem in letzter Zeit große Fortschritte gemacht wurden. Die Zahl der tödlichen Verkehrsunfälle in Deutschland ist seit Jahren rückläufig, was auch der verbesserten passiven Sicherheit der Fahrzeuge zuzuschreiben ist, die wiederum von den verbesserten Analysemöglichkeiten profitiert. Crashberechnungen, die auf expliziten Integrationsmethoden beruhen, sind aber nicht isoliert zu sehen, denn schließlich steht die dem Aufprall ausgesetzte Baugruppe oder das Gesamtfahrzeug unter einer Vorlast, die sich einerseits aus dem Produktionsprozess ergibt, aber auch aus der Verkehrslast. Hier bietet „Abaqus Unified FEA“ mit seinem integrierten impliziten und expliziten Gleichungslöser die Möglichkeit, die aufeinander aufbauenden Belastungsschritte auch aufeinander aufbauend zu berücksichtigen. Das Absenken eines Fahrzeugs auf die Straße ist eine hochgradig nichtlineare Belastung, die der implizite Gleichungslöser in Abaqus/Standard berechnet. Der explizite Gleichungslöser in Abaqus/Explizit setzt dann auf den Ergebnissen der impliziten Analyse auf und berechnet den Gesamtfahrzeugcrash unter Berücksichtigung dieser nichtlinearen Vorbelastung.
Dieses Verfahren ist konsistent mit dem zugrundeliegenden Variationsprinzip: Impliziter wie expliziter Gleichungslöser haben eine überlappende Element- und Materialbibliothek und beide basieren auf dem Newmark-Zeitintegrationsverfahren. Der Übergang zwischen diesen beiden Integrationsverfahren findet daher ohne Verlust an Genauigkeit statt und kann im Laufe einer Simulation mehrfach durchgeführt werden
Auch in der Mehrkörpersimulation (MKS) setzt sich „Abaqus Unified FEA“ neben den traditionellen Spezialwerkzeugen immer weiter durch. Zwar sind die klassischen MKS-Programme dem FEM-Ansatz hinsichtlich Rechenzeiten oft überlegen, allerdings haben diese bei der Berücksichtigung von Vorlasten oder Nichtlinearitäten signifikante Nachteile. Die Mehrkörpersimulation bei Abaqus nutzt die gesamte Robustheit von „Abaqus Unified FEA“ bei der Analyse von Nichtlinearitäten und kann nichtlineare, lineare elastische und starre Bauteile in statischen und wie auch impliziten und expliziten dynamischen Analysen kombinieren.
50 Millionen Freiheitsgrade bei nichtlinearen Analysen
Die wachsenden Anwendungsbereiche der Simulation durch moderne Berechnungsalgorithmen werden durch die modernen Möglichkeiten der Parallelisierung unterstützt. 50 Millionen Freiheitsgrade werden heute schon bei nichtlinearen Analysen produktiv genutzt, was oftmals nur mit massiv-parallelen Algorithmen effizient durchführbar ist. Sowohl der explizite wie auch der implizite direkte Sparse-Gleichungslöser von Abaqus ist auf Clustern mit verteilten Ressourcen implementiert und kann – problemabhängig – effizient mit hunderten CPU umgehen. Analysen, die früher Tage gebraucht haben, werden heute in wenigen Stunden verarbeitet und sind somit gut in einen effizienten Entwicklungsprozess integrierbar.
„ Abaqus Unified FEA“ richtet sich aber nicht nur an den Berechnungsexperten. Die Durchgängigkeit der Lösung von linearen Analysen bis hin zur Berechnung von komplexen Versagensmodellen am gleichen Datenmodell erlaubt einen Einstieg in die konstruktionsnahe Berechnung. Bereits in der Entwurfsphase können erste Berechnungen von Konstrukteuren durchgeführt werden, die die Basis für komplexe Analysen von Berechnungsexperten bilden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Trend zur Simulation ungebrochen voranschreitet und dieser Prozess bei weitem noch nicht abgeschlossen ist. Allerdings geht die Tendenz weg von den Insellösungen und hin zu den integrierten Lösungen wie „Abaqus Unified FEA“. „Integriert“ sind dabei, wie gezeigt, die verschiedenen Berechnungsmethoden, aber auch die Einbindung in den PLM-Prozess. Simula- tion muss als integraler Bestandteil der Product Lifecycle Management (PLM)-Prozesskette verstanden werden und nicht als eine getrennte Disziplin. Mit „PLM 2.0“ werden alle PLM-Produkte von Dassault Systemes der Version V6 auf eine einheitliche Datenbasis gestellt. „Unified“ gilt dann nicht mehr nur für die Welt der Finiten-Elemente.
Abaqus;
Telefon: 0241/ 47401-0; E-Mail : martin.kuessner@3ds.com
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