Virtuelles Engineering multiphysikalischer Systeme

Kalt schwingt anders

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11.10.2016 Existiert ein physikalisches Phänomen nur dann, wenn es real in einer Maschine auftritt? Sicherlich nicht – darauf weist der Begriff „Virtual Reality“ hin. Immer mehr physikalische Zusammenhänge lassen sich heute simulieren und visualisieren.

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Entscheider-Facts für Planer

  • Anlagen und Bauteile während der Planungsphase in Simulationen zu überprüfen, spart Zeit und Produktionskosten für Prototypen und bringt zusätzliche Planungssicherheit.
  • In der Regel hat mehr als eine physikalische Größe einen bedeutenden Einfluss auf das Materialverhalten des untersuchten Objektes. Multiphysikalische Simulationen berücksichtigen auch das Zusammenspiel von Faktoren unterschiedlicher physikalischer Teildisziplinen.
Kalt schwingt anders

Multiphysikalische CIP/SIP-Simulation zum Optimieren von Düsenanordnung und Einspritzgeschwindigkeit in Gefriertrocknern: Die Flugbahn der modellierten Tröpfchen hängt von deren Masse, Geschwindigkeit und Luftwiderstand ab. (Bild: Optima Pharma)

Phänomene, die sich im Nachhinein erklären lassen, müssen auch im Voraus darstellbar sein – das ist die Grundidee des virtuellen Engineerings.

Optima Pharma nutzt diesen Ansatz zur virtuellen Optimierung von Bauteilen oder Anlagensegmenten ein. Beim sogenannten „Smart Engineering“ handelt es sich um eine digitale Serviceleistung mit hohem Nutzwert. Damit lassen sich Anlagen früh testen und verbessern sowie Technologien virtuell erproben. Noch bevor eine erste Schraube gefertigt wird, ist so die Analyse und Optimierung kritischer Anlagenbereiche im Computer möglich.

Multiphysik als Königsdisziplin

Kalt schwingt anders

Optimierung im Computer: Die virtuelle Strukturanalyse zur Spannungsverteilung unter Belastung ersparte die Produktion von drei teuren Prototypen dieses Transportrechens.

Umgekehrt lassen sich Entwicklungsideen in frühen Phasen virtuell untersuchen. Das spart viel Zeit und Geld gegenüber realen Versuchsaufbauten: Im Falle der Spannungsverteilung in einem dynamisch belasteten Transportrechen half eine Strukturanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Das Re-Design mit numerischer Simulation verbesserte das ursprüngliche Design in nur drei Design-Loops um den Faktor 10 bezüglich Steifigkeit und Resonanzverhalten. Die Ersparnis gegenüber drei tatsächlich gebauten Rechen betrug mehrere Zehntausend Euro.

Häufig bestimmt dabei nicht nur eine physikalische Einflussgröße das Endergebnis. Wirken mehrere physikalische Parameter in einem begrenzten Areal zusammen, lässt sich dies ebenfalls virtuell abbilden. Die Digitalisierung des Engineering-Prozesses macht’s möglich: Mathematische Modelle beschreiben die eingesetzten Materialien. Formeln berücksichtigen, wie sich das Material in welchen Maßen verhält.

Kommen noch weitere Einflüsse hinzu wie Temperatur, Licht oder Akustik, befindet man sich bereits inmitten der Multiphysik – denn kaltes Material schwingt anders. Diese multiphysikalischen Effekte gelten als Königsdisziplin im virtuellen Engineering, da hier die physikalischen Grundsätze aus drei Gebieten miteinander gekoppelt werden: Strömungen, Elektrotechnik und Mechanik.

Heftausgabe: Oktober 2016
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Über den Autor

Felix Henning, Henning PR
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