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Simulation Komplexität mit technischer Simulation managen

Autor / Redakteur: Theo Drechsel / Stefanie Michel

Veränderte Klimaziele, Nachhaltigkeitserwartungen der Kunden und der Zwang zur Reduzierung der Abfallmengen: auf diese Anforderungen muss die Industrie antworten. Weitermachen mit vorhandener Technik ist keine Option. Deshalb nutzen Unternehmen die technische Simulation, um die erhöhte Komplexität in den Griff zu bekommen.

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Während die Automobilhersteller die Optimierung der Aerodynamik für minimalen Fahrwiderstand gut im Griff haben, stellt die Reduzierung der Windgeräusche nach wie vor eine große Herausforderung dar.
Während die Automobilhersteller die Optimierung der Aerodynamik für minimalen Fahrwiderstand gut im Griff haben, stellt die Reduzierung der Windgeräusche nach wie vor eine große Herausforderung dar.
(Bild: Bill Pugliano/Getty Images)

Nachhaltigkeitsinitiativen mit dem Ziel, die Mission und die Werte eines Unternehmens miteinander in Einklang zu bringen, sind gut fürs Geschäft. Branchenführer streben heute ganzheitlich nach Wachstum durch Produktinnovation zur Erfüllung gesetzlicher Anforderungen und der „grünen“ Erwartungen der Kunden. Prozessinnovationen minimieren zudem die Abfallmengen und beschleunigen die Markteinführung. Die technische Simulation ist die einzige praktikable Möglichkeit, den hohen Zeit- und Kostenaufwand für physische Tests der immer komplexeren und zunehmend softwarebasierten Systeme zu reduzieren und die erforderlichen Innovationen zu realisieren.

Mit Simulation Produktkomplexität und Systemabhängigkeiten meistern

Unternehmen setzen in diesem Zuge auf die Unterstützung durch eine Simulationsplattform, die komplette virtuelle Prototypen erstellen kann. Kunden haben steigende Erwartungen an „umweltfreundliche“ Produkte. Diese Entwicklung – erst eine Nischenerscheinung – wird gerade zum Mainstream. Außerdem sind Investoren eher bereit in Unternehmen zu investieren, bei denen Nachhaltigkeit Bestandteil der Geschäftsstrategie ist.

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Unternehmen, in denen die technische Simulation bereits genutzt wird, können das Verhalten eines Produktes – beispielsweise das Zusammenwirken verschiedener physikalischer Effekte oder das Verhalten eines softwaregesteuerten Systems – in einer einzigen Simulation auf einer gemeinsamen Plattform umfassender beurteilen. Außerdem sind sie besser in der Lage, die Herausforderungen der Produktkomplexität und Systemabhängigkeiten zu meistern.

Der verstärkte Einsatz der technischen Simulation verringert die Zahl der erforderlichen physischen Prototypen sowie Abfall und Kosten; zudem verkürzt sie den Produktentwicklungszyklus insgesamt. Für Anbieter von energieeffizienten Produkten ist die Integration der technischen Simulation von der Bauteil- bis zur Systemebene eines der wichtigsten Mittel für die Wertschöpfung. Im Zuge der Abgasreduzierung haben in der Automobilindustrie die Software- und Hardwarekomplexität der Motorsteuerung sowie die Interaktionen zwischen dem Motorsystem und der Abgasnachbehandlung deutlich zugenommen. Diese zusätzliche Komplexität hat ihren Preis. Sie erfordert exponentiell mehr Tests zur Untersuchung von De­signalternativen und Systemabhängigkeiten sowie die Erkennung möglicher Produktausfallmechanismen.

Elektromechanische Systeme sollen mechanische ablösen

Die Bestrebungen für eine hochentwickelte Elektrifizierung, um herkömmliche mechanische Steuerungsfunktionen durch elektromechanische Systeme abzulösen, werden durch die weltweite Nachfrage nach höherer Treibstoffeffizienz und durch die Suche nach leistungsfähigeren Produkten forciert. Elektrisch angetriebene Produkte sind komfortabler, einfacher zu warten, leichter und kompakter.

In der Automobilindustrie erleben wir die Zunahme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und in der Luftfahrtindustrie die Entstehung stärker elektrifizierter Flugzeuge. Zur Verbesserung der Maschinen- und Treibstoffeffizienz ist es erforderlich, nicht nur die Leistung jeder Komponente für sich gesehen zu optimieren, sondern auch die Zusammenarbeit der Komponenten mit vielen anderen im System. So müssen die Pumpe, der Motor und die Last aufeinander abgestimmt sein, um beim Starten und im gesamten Betriebszyklus mit maximaler Effizienz zu arbeiten. Die technische Herausforderung besteht darin, die sich hieraus ergebenden komplexen – und oft kollidierenden – Alternativen miteinander in Einklang zu bringen. So steigern beispielsweise höhere Zündtemperaturen für Verbrennungsturbomaschinen oder Motoren die Effizienz, führen jedoch auch zu Emissionsproblemen, die gelöst werden müssen. Es gibt viele weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz. Die Schwierigkeit dabei ist, dies zu erreichen, ohne wesentliche Eigenschaften des Gesamtsystems zu gefährden, wie zum Beispiel Haltbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Kosten, Nachhaltigkeit oder Performance.

Kraftstoffeffizienz durch Einsatz von Simulation um 5 % verbessert

Die Fahrzeughersteller bauen Turbolader in ihre Fahrzeuge ein, um Kraftstoff zu sparen und die Emissionen zu verringern. Jedoch erhöht sich beim Verdichten der Luft im Turbolader die Temperatur der Luft. Die Luftdichte und damit auch die Luftmenge, die in den Zylinder gedrückt werden kann, verringert sich, was nachteilig für den Verbrennungsvorgang ist. Durch den Einsatz von Ladeluftkühlern wird ein Teil dieser Wärme entfernt, aber es ist schwierig, den Ladeluftkühler und den Ansaugkrümmer effizient zu integrieren.

Die Entwickler bei Magneti Marelli Powertrain S.p.A. setzten Simulation frühzeitig im Designprozess ein, um eine höhere Leistung zu erzielen und die Anzahl von Prototypen im Vergleich zu vorherigen Designmethoden zu reduzieren. Das aktuelle Design bietet einen wesentlich verbesserten Wärmeübergang durch den Ladeluftkühler, wodurch die Auslasstemperatur gegenüber dem bisherigen Ladeluftkühler um 8 % reduziert wird. Das neue Design verringert außerdem den Gesamtdruckverlust und verbessert die Kraftstoffeffizienz um 5 %.

Leichtbauweise spart Kosten und Energie

Ein beträchtlicher Teil der zum Transport aufgewandten Energie von Fahrzeugen wird zur Überwindung des Luftwiderstandes benötigt. In der Automobilindustrie kann der Luftwiderstand für bis zu 22 % des Kraftstoffverbrauchs eines typischen Lkw verantwortlich sein. In den letzten Jahren haben strikte gesetzliche Vorschriften und eine starke Kundennachfrage nach billigeren, grüneren Verkehrsmitteln die Dringlichkeit für aerodynamische Verbesserungen erhöht. Die Optimierung der Aerodynamik hat erhebliche Auswirkungen auf den weltweiten Energieverbrauch im Verkehrswesen und ermöglicht Kosteneinsparungen für die Betreiber.

Je schwerer ein Objekt ist, desto mehr Energie ist erforderlich, es von einem Ort zum anderen zu bewegen. Der Verkehrssektor ist daher richtungsweisend, wenn es darum geht, Flugzeuge, Züge und Kraftfahrzeuge leichter zu machen, um die Treibstoffkosten zu senken und die Umweltauswirkungen der Verkehrsmittel zu verringern, ohne die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Reduzierung des Gewichts einer Monocoque-Karosserie um 20 %

Es gibt zwei grundlegende Ansätze, Konstruktionen leichter zu machen – und beide erfordern umfassende technische Analysen: Zum einen können die Konstrukteure herkömmliche Werkstoffe wie Stahl oder Aluminium durch leichtere Alternativen wie Verbundmaterialien (Composites), Keramik oder Kunststoff ersetzen. Zum anderen können die Konstruktionsteams die Form eines Bauteils verändern, um Material einzusparen. Einfache Veränderungen der Geometrie sind eine attraktive Lösung, da sie nur minimale Auswirkungen auf die Fertigung haben. Mit der Einführung der Additiven Fertigung können die Konstrukteure Designs produzieren, die mit traditionellen Fertigungsverfahren bisher nicht möglich waren, und damit neue Möglichkeiten für die Gewichtsreduzierung realisieren.

KTM Technologies unterstützt seine Kunden mit einem ganzheitlichen Ansatz im Bereich der wirtschaftlichen Verbundstofftechnik für Anwendungen in der Fahrgastbeförderung. Die ersten Monocoque-Konstruktionen des KTM-X-Bow-Sportwagens wurden ohne den Einsatz von Ansys-Simulationstools realisiert. Für das Design der zweiten Generation wurden Simulationen eingesetzt, wodurch das KTM-Team das Monocoque-Gewicht um 20 % reduzieren konnte.

Die vorgestellten Anwendungsbeispiele belegen, dass führende Unternehmen den Einsatz der Simulation von der Produktkomponente bis zum Produkt-Teilsystem und zur Systemebene ausweiten. Um dies effektiv zu tun, sind sowohl Simulationstechnologien wie auch eine Simulationsplattform erforderlich. Übrigens: Untersuchungen haben gezeigt, dass Unternehmen durch die Konsolidierung auf einer Simulationsplattform die geplanten Produktkosten um 20 % besser einhalten, die Entwicklungszeit um 22 % verkürzen und die Software-Gesamtkosten um 7 % reduzieren können.

* Theo Drechsel ist freier Fachjournalist. Weitere Informationen: Ansys Germany GmbH in 83624 Otterfing

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