Technische Berechnungen

Technische Berechnungen

Steigende Anforderungen an neue Produkte hinsichtlich Funktionalität, Qualität, Kosten und Entwicklungsdauer lassen sich nur mehr durch den Einsatz moderner CAE-Methoden auf leistungsfähigen Computern erfüllen.

Für die virtuelle Produktentwicklung ist der Einsatz einer Vielzahl von Verfahren notwendig, bei denen wir Sie mit unserer über 30-jährigen praktischen Erfahrung unterstützen. Auf Wunsch ergänzen wir unsere Berechnungsleistungen durch Versuche im eigenen Haus.

In Zusammenarbeit mit unseren unterschiedlichen Fachabteilungen bieten wir Ihnen auch die selbständige Entwicklung von Bauteilen an.

Unsere Stärke ist die Bearbeitung und Lösung komplexer Aufgabenstellungen mit modernsten Methoden. Das Ziel ist stets, die Qualität Ihrer Produkte zu verbessern, die Kosten zu senken und so Entwicklungszeiten zu verkürzen. Für unsere Simulationen setzen wir alle gängigen CAE-Softwaretools ein.

Unser Leistungsspektrum

  • CAD-Konstruktion, FE-Modellierung
  • Festigkeit, Verbindungstechnik
  • Betriebsfestigkeit
  • Strukturoptimierung
  • Schwingungen, Vibration
  • Nichtlineare Strukturdynamik, Schock, Fluid-Struktur-Wechselwirkung
  • Strömungen, Temperaturfelder
  • Methodenentwicklung, Softwarentwicklung

Anwendungsbereiche

  • Automotive
  • Luft- und Raumfahrt
  • Schienenfahrzeuge
  • Wehrtechnik
  • Fördertechnik
  • Fertigungstechnik
  • Anlagenbau
  • Windenergie

 

Betriebsfestigkeitsbewertung

Aufgrund immer kürzer werdender Entwicklungszeiten gewinnt die rechnerische Betriebsfestigkeitsbewertung und die enge Kopplung von Versuch und Simulation zunehmend an Bedeutung.

Betriebsfestigkeit: Rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis am Beispiel einer Kurbelwelle
Rechnerischer Betriebsfestigkeitsnachweis am Beispiel einer Kurbelwelle

Das Leistungsportfolio der IABG auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit umfasst:

  • Rechnerische Betriebsfestigkeitsbewertung und Betriebsfestigkeit-Methodenentwicklung
  • Werkstoffprobenversuche im akkreditierten IABG-Festigkeitslabor (IFL)
  • Bauteil- und Komponentenversuche

Rechnerische Betriebsfestigkeitsbewertung

Die rechnerische Betriebsfestigkeitsbewertung gliedert sich im Wesentlichen in drei unterschiedliche Bereiche:

  • Ermittlung der lokalen Beanspruchung (statisch, zyklisch, dynamisch, stochastisch)
  • Ermittlung der lokalen Beanspruchbarkeit unter Einbeziehung technologischer Effekte (Schmieden, Gießen etc.) sowie Betriebslasteinflüssen (z.B. Mittel-und Eigenspannungen)
  • Schadensakkumulation

Neben sämtlichen gängigen FE-Solvern (ABAQUSTM, NASTRANTM etc.) zur Berechnung der Betriebsbeanspruchung kommen moderne Werkzeuge zur Berechnung von Fertigungsprozessen (z.B. Umformen, mechanische Oberflächenverfestigung) und zur Lebensdauerbewertung zum Einsatz (FEMFATTM, N-CodeTM usw.). Neben den klassischen Bauteilen und Anwendungen stellt die Analyse von Strukturen mit Schwingungsanregung (Erdbebenbelastung, Fahrbahnanregung o.ä.) einen Themenschwerpunkt dar. Darüber hinaus werden analytische Betriebsfestigkeitsbewertungen nach einschlägigen Richtlinien (FKM, EuroCode etc.) aber auch nach kundenspezifisch erstellten Berechnungsvorschriften durchgeführt.

Betriebsfestigkeit – Methodenentwicklung

Um möglichst genaue Lebensdaueraussagen aus der Simulation zu erhalten, werden im Bereich der Betriebsfestigkeits-Methodenentwicklung ständig neue Ansätze und Berechnungsverfahren entwickelt. Basierend auf Ergebnissen aus umfangreichen Probenversuchen werden beispielsweise neue Wöhlerlinienmodelle zur Beschreibung des lokalen Schwingfestigkeitsverhaltens in Abhängigkeit lokaler Fertigungszustände (Erstarrungsprozess, lokale plastische Verformung, etc.) und Beanspruchungskenngrößen (Stützwirkung, Mittel- und Eigenspannungen, etc.) generiert. Die industriellen Auftragsforschungsarbeiten decken dabei ein weites Feld ab:

  • Damage Tolerant Design: Einfluss fertigungs-, betriebslast- bzw. missbrauchsbedingter Fehler auf das Bauteilverhalten
  • Technologische Einflüsse auf die lokale Schwingfestigkeit (Gießen, Schmieden, Oberflächenverfestigung etc.)
  • Schadensakkumulation, Weiterentwicklung der Bruchmechanik-Methoden sowie Integration in den CAE-Prozess, Multiaxiale Ermüdung etc.

 

CAD-Konstruktion, FE-Modellierung

Festigkeitsnachweis für Abbruchbagger zum Rückbau von Kernkraftwerken
Festigkeitsnachweis für Abbruchbagger zum Rückbau von Kernkraftwerken

Wir erstellen für Sie Konstruktionen nach Ihrer Spezifikation oder modifizieren analysierte Konstruktionen auf der Basis von Berechnungsergebnissen. Wir setzen parametrische 3D-CAD-Systeme zur schnellen und flexiblen Anpassung von Geometrien ein.

Voraussetzung für ein aussagekräftiges Berechnungsergebnis sind adäquate FE-Modelle, die auf ihre Einsatzbestimmung und spezifischen Randbedingungen individuell abgestimmt sind. Für die Modellierung werden 2D und 3D-CAD-Geometrien in gängigen Formaten übernommen. Die Daten werden bereinigt und für die Vernetzung aufbereitet. Je nach Anwendungsfall kommen Balken-, Schalen- oder Volumenelemente mit automatischer Tetraeder- oder Hexaeder-Vernetzung zum Einsatz.

Eingesetzte Software

  • Catia V5, Pro/E
  • Medina, ANSA, HyperMesh, MSC.Patran, RStab

 

Festigkeit, Verbindungstechnik

Festigkeitsanalyse Differentialkorb
Festigkeitsanalyse Differentialkorb

Wir untersuchen für Sie die Struktureigenschaften Ihrer Konstruktionen und Verbindungsmittel mit linearer und nichtlinearer FEM sowie analytischen Methoden. Aus den Ergebnissen leiten wir Vorschläge für gezielte Verbesserungen ab. Rechnerische Festigkeitsnachweise führen wir nach allen gängigen Normen und Richtlinien durch. In Zusammenarbeit mit unseren Versuchsabteilungen bieten wir die Planung und Durchführung von Versuchen an, z. B. zur Validierung der Berechnungsmodelle, Ermittlung von Lastdaten oder Werkstoffparametern.

Eingesetzte Software

MSC.Nastran, MSC.Marc, ANSYS, Abaqus, MDesign, Hexagon

 

Methodenentwicklung, Softwareentwicklung

Wir verfügen über große Erfahrung bei der Methodenentwicklung, beginnend bei der Erarbeitung von Konzepten und Lösungsansätzen, über die Entwicklung geeigneter Verfahren und Algorithmen bis hin zur programmtechnischen Umsetzung und Anwendung. Diese Erfahrungen nutzen wir, um komplexe und zeitraubende Verfahren zu vereinfachen und/ oder zu automatisieren. Benutzerfreundliche Oberflächen erleichtern unseren Kunden die Anwendung.

Automatisierter Model-Update (MAC-Wertvergleich)
Automatisierter Model-Update (MAC-Wertvergleich)

Unser Leistungsspektrum

  • Automatisierter Nachweis von Schraub- oder Nietverbindungen
  • Lebensdauerbewertung von Bauteilen unter Random-Anregung (z. B. Schlechtwegstrecke) auf Basis von PSD
  • Automatische Lagermodellierung bei Getrieben
  • Kombinierte Berechnungen wie z. B. FE-MKS, CFD-FE, FE-Optimierung-Lebensdaueranalyse
  • Entwicklung leistungsfähiger Pre- und Postprozessoren

Eingesetzte Software

Fortran, Java, C++, Skriptsprachen (Python, APDL, etc.)

 

Nichtlineare Strukturdynamik, Schock, Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Ob hochdynamisch belastete Bauteile, Gesamtsysteme für Fahrzeuge aller Art oder ortsgebundene Objekte - Sie profitieren von unserer Erfahrung auf folgenden Gebieten:

Crashsimulation einer Abrissglocke beim Kernreaktorrückbau
Crashsimulation einer Abrissglocke beim Kernreaktorrückbau

  • Große Deformationen, Bruch- und Nachbruchverhalten
  • Plastizität und Verfestigung abhängig von der Dehngeschwindigkeit
  • Inhomogenität und Anisotropie der Steifigkeit (Faserverbundmaterial)
  • Gummielastisches Verhalten (Elastomere)
  • Fluid-Struktur-Wechselwirkung bei Detonationen
  • Ausbreitung von Spannungswellen

Unser Leistungsspektrum

  • Sicherheitsnachweise zu Deformation, Versagen und Schock
  • Crashsicherheit für Fahrzeuge oder Transportbehälter (z. B. Castoren)
  • Simulation des Öffnungsverhaltens von Cabrio-Verdecken
  • Simulation von Penetrationsvorgängen, z. B. Durchschlag einer Turbinenschaufel durch das Turbinengehäuse
  • Pyroschock-Belastung von Raumfahrtstrukturen
  • Pre- und Post-Shot Analysen von Unterwasseransprengungen einschließlich der rechnerischen Begleitung von Versuchen
  • Analyse der Standkraft und Verwundbarkeit von Schiffen, U-Booten sowie anderen Unterwasserfahrzeugen

Eingesetzte Software

DYSMAS, DYNA3D, Abaqus, ANSYS, PAMCRASH

 

Strukturoptimierung

Immer anspruchsvollere Forderungen nach leichten Bauteilen erzwingen schon in einer frühen Entwicklungsphase den Einsatz von CAE-Methoden, um Bauteilgeometrien zu verbessern. Dazu werden Optimierungen mit statischen oder dynamischen Lastfällen durchgeführt. Hierbei können Restriktionen wie z. B. Steifigkeitsanforderungen, aber auch Fertigungseinschränkungen berücksichtigt werden. Die Randbedingungen der späteren Fertigung sind somit bereits Teil der Optimierung.

Topologieoptimierung eines Hinterachsgetriebegehäuses
Topologieoptimierung eines Hinterachsgetriebegehäuses

Wir bieten Ihnen folgendes Leistungsspektrum zur Optimierung Ihrer Bauteilstruktur:

  • Topologieoptimierung zur Bestimmung der optimalen Bauteilgestalt aus verfügbarem Bauraum
  • Umsetzung der optimalen Gestalt in ein CAD-Modell
  • Shape- oder Gestaltoptimierung zur weiteren Verbesserung der Spannungen an Übergängen
  • Numerische Optimierung von Bauräumen und Wandstärken mit parametrisierten Konzeptmodellen
  • Aussagen über die funktionale Umsetzbarkeit einer Neuentwicklung und die Dimensionierung einer optimalen Struktur

Eingesetzte Software

TOSCA, Optistruct, MSC.Nastran

 

Schwingungen, Vibration

PSD Antwortanalyse Kraftstofftank
PSD Antwortanalyse Kraftstofftank

Unser Leistungsspektrum reicht von Modalanalysen über Antwortanalysen und transienten dynamischen Berechnungen bis hin zur Erdbebensimulation.

Für eine quantitative Vorhersage von Schwingungseigenschaften ist ein validiertes FE-Modell notwendig. Wir erstellen diese Modelle unter Berücksichtigung von gemessenen dynamischen Eigenschaften bzw. überarbeiten bereits bestehende Modelle. Ziel ist, eine möglichst gute Übereinstimmung der Eigenfrequenzen und -formen aus Versuch und Simulation zu erreichen. Dieses Model-Update kann manuell oder mittels numerischer Optimierungsmethoden erfolgen.

Eingesetzte Software

MSC.Nastran, ANSYS, Abaqusa

 

Strömungssimulation (CFD)

Kühlungsstrom in einem Zylinderkopf
Kühlungsstrom in einem Zylinderkopf

Strömungsphänomene spielen in vielen Geschäftsfeldern eine wichtige Rolle. Luft- und Raumfahrt, Automotive, Energie und Verteidigung - in allen Kerngeschäftsbereichen kommen aero- und thermodynamische Fragestellungen immer wieder vor und sind zum Teil mitentscheidend für die Funktionstüchtigkeit und die Betriebseffizienz von Maschinen und Anlagen.

Strömungen können experimentell – wenn überhaupt – nur in sehr aufwändigen Versuchen analysiert werden. Hier bieten CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) eine gute Alternative.

Umströmung einer Windkraftanlage
Umströmung einer Windkraftanlage

Anwendungsgebiete

  • Unterstützung beim Entwurf: Bestimmung von komplexen designkritischen Betriebsparametern, z.B. Temperaturverteilungen, Durchflussgrößen, aerodynamische Lasten, Mischungsverhältnisse, Schadstoffverteilungen und andere relevante Parameter
  • Designoptimierung: Bestimmung von Optimierungspotenzial in Strömungsmaschinen
  • Troubleshooting: Identifizierung von Fehlerursache und Entwicklung von Lösungen

 

Anwendungsbeispiele

  • Analysen zur Wärmeübertragung (Wärmeleitung, -strahlung, Konvektion)
  • Ermittlung von aerodynamischen Lasten auf Strukturen (z.B. bei Windkraftanlagen)
  • Simulation von atmosphärischen Windströmungen
  • Klimatisierung von Gebäuden, HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning)
  • Druckverlustbestimmung von Strömungsmaschinen
  • Aerodynamik von Fahrzeugen und Gebäuden
  • Ermittlung von Schadstoffkonzentrationen (Arbeitssicherheit)
  • Brand- und Rauchausbreitung
  • Detonationsvorgänge in Luft und Wasser

 

Ihre Vorteile

  • „Schlüsselfertige“ Lösungen: Wir begleiten unsere Kunden durch alle Phasen des Projektes, angefangen von der Definition des strömungsphysikalischen Problems bis zur Entwicklung einer maßgeschneiderten CFD-Lösung.
  • Expertenteam: Unser Team besteht aus Experten auf den Fachgebieten Strömungsmechanik, Thermodynamik und Strukturdynamik und besitzt eine langjährige Erfahrung im Bereich der rechnerischen Simulation.
  • Optimierte Werkzeuge: Bei den Untersuchungen verwenden wir je nach Bedarf das etablierte kommerzielle CFD Software-Paket ANSYS CFX oder die innovative OpenSource-Lösung OpenFOAM. Daneben setzen wir themenspezifisch auch den weltweit anerkannten Fire Dynamics Simulator (FDS) von NIST sowie unseren in-House Solver DYSMAS ein. Dabei können wir auf unseren in-House „state-of-the-art“-Cluster zurückgreifen.