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sw4Titelstory

Von der Konstruktion und Berechnung über die Simulation und Erstellung des Zeichensatzes bedient sich Optoform bewährter Lösungen aus dem Hause DS Solidworks. Der Beitrag zeigt übergreifend deren Funktionsvielfalt und im Detail, wie sich mit der Strömungssoftware Flow Simulation Kompressoren auslegen lassen oder wie sich die Leistung von Wasserkraftwerken bereits in der Planung genau bestimmen lässt.



sw giese

Mit insgesamt mehr als 20 Jahren Entwicklungserfahrung in der Wälzlager- und Automobilzulieferindustrie, Blechumformung, Schweißfertigung und Automation bietet Optoform seinen Kunden effiziente Unterstützung bei der Produktentwicklung. Dabei hat sich der Engineering-Dienstleister auf die die Konstruktion, Festigkeitsberechnung, Strömungs- und Bewegungssimulation komplexer Komponenten, Baugruppen und Module spezialisiert. Die Engineering-Spezialisten begleiten ihre Kunden von der Idee bis hin zum optimalen Endergebnis - egal ob ein Bauteil, eine Baugruppe oder eine ganze Funktionseinheit zu entwickeln sind. Zur Abwicklung der Aufträge setzt das Team modernste CAD-Technologien ein, wie Dr. Peter Giese, Inhaber von Optoform erklärt: „Ich habe mich im direkten Vergleich mit anderen 3D-Systemen bereits 2004 für Solidworks entschieden, da die Software wirtschaftlich interessanter war und umfassende Funktionalität bietet. Ausschlaggebend waren zudem die leichte und intuitive Bedienung sowie die integrierten Simulationswerkzeuge. Im Zuge der Evaluierung eines CAD-Systems bin ich auch erstmalig auf die Analysesoftware von SolidWorks aufmerksam geworden.“

Simulation und Flow Simulation Software

Heute nutzt das Unternehmen neben der CAD auch die Simulation und Flow Simulation Software zu Festigkeitsstudien, beispielsweise für Klimakompressoren, Ventile oder Wälzlager sowie für Strömungssimulationen zur Optimierung von Wärmetauschern oder Wasserturbinen. Bei der Auslegung von Kompressoren und Kolbenverdichtern wird zudem die Bewegungssimulation angewandt. Die ermittelten Analysedaten können zu Änderungen bei der Gehäuse- und Antriebswellengeometrie oder zu Änderungen der Wärmeübergangsflächen führen. Bei einem Robotergreifer konnte mittels der Berechnungen eine vollständige Änderung der aufwendigen Konstruktion in ein robustes Baukastenprinzip erreicht werden.

CFD Berechnung eines Wasserkraftwerkes

sw5Die vollständige CFD Simulation mit Berechnung der Turbinenleistung auch unter Kavitationsbedingungen dient der der Optimierung der gesamtem Anlage und der Verkaufsabsicherung von zugesagten Leistungen. Die berechneten Wasserkraftwerke habe ein Leistungsspektrum von 400 kW bis 3 MW. Mithilfe der CFD Simulation können Kennfelder der Leitschaufel- und Laufschaufel Stellungen in Abhängigkeit der Fallhöhe und des Massenstroms erstellt werden. Ferner können neue Schaufel- und Saugrohrgeometrien auf ihr Potenzial untersucht werden.

sw6aDie Schnittdarstellung der Geschwindigkeit zeigt die Strömung durch ein Wasserkraftwerk. Das Saugrohr erfüllt seine Aufgabe gut: Die Strömung liegt bis zum Austritt an ohne von einer Seite abzulösen. Im Zentrum der Saugrohrströmung tritt ein keulenartiges Strömungsgebiet mit schleichender Strömung auf.

Die Stromfadendarstellung (Bild oben) zeigt einen leichten Drall hinter der Turbine. Das deutet auf eine nicht optimal eingestellte Schaufelstellung hin, denn jeder Drall bedeutet Strömungsverlust. Mit optimaler Schaufelstellung würde sich die Turbineleistung erhöhen.

Die Druckverteilung auf einer Leit- und Laufschaufel (Bilder links) im Leistungsoptimum der Anlage gibt Aufschluss über die Geometrie und die Stellung der Schaufeln. Es können Stellen mit potentiellem Kavitationsbeginn gefunden werden. Mithilfe dieser Daten lässt sich die Schaufelgeometrie optimieren.

sw6bAufgrund der Berechnungen können nun zum Beispiel Wasserkraftwerke mit der zugesagten Leistung verkauft werden. Zudem ziehen die Anwender die Berechnungen in Berichtsform als Entscheidungsunterlagen für technische Neuerungen oder notwendige Änderungen hinzu. Bislang haben alle so berechneten Produkte den Belastungen standgehalten und mussten nicht mehr geändert werden.

Anfangs war die Anwendung dieser Lösungen für Giese gänzlich neu: „Sowohl die CAD- als auch die Analyse-Software waren für mich neue Werkzeuge, die ich in Schulungen bei dem Solidworks Vertriebspartner MB CAD erlernte. Allerderings lernt man bei solch komplexen Lösungen nie. Jedes Treffen mit anderen Nutzern bringt Neues hervor und man bereichert sich gegenseitig.“

CFD Simulation einer Jetpump

Jetpumps sind Strömungspumpen, in denen der Bernoulli Effekt zum Ansaugen und beschleunigtem Weitertransport eines Strömungsmediums benutz wird. Hierbei wird oftmals die potentielle Energie eines sich entspannenden Gases genutzt, um einen Strömungskreislauf ohne externe Energiezufuhr aufrecht zu erhalten. Eine zusätzliche Anforderung ist oftmals bei derartigen Berechnungen die Verwendung eines Gasgemisches aus 2 oder mehreren verschiedenen Gasen und das Auftreten von hohen Überschallgeschwindigkeiten.

Die Genauigkeit der CFD Ergebnisse zu Versuchsdaten ist recht hoch. Die Abweichungen liegen in einem weiten Betriebsbereich der Jetpump im Bereich < 3%. Die genaue Kenntnis der Strömungsvorgänge hilf dabei, eine optimale Geometrie für den angedachten Verwendungszweck zu finden.

sw3Das Bild links oben zeigt die Strömung mit geringem Massenstrom, das Bild links unten mit hohem Massenstrom. Hier ist das Mischrohr vollständig ausgefüllt und die Strömung "zwängt" sich durch das zu enge Rohr, es kommt zu unerwünscht hohen Druckverlusten. Die Überschallgeschwindigkeit der Zuführdüse wird über Stoßvorgänge auf Unterschallniveau abgebaut, was sehr gut in beiden Bildern erkennbar ist.

Swashplate Triebwerk

sw2Nachfolgend wird die FEM Kontaktberechnung eines swashplate Triebwerkes für einen Klimakompressors dargestellt. Höherwertige Klimaanlagen in Pkw, Lkw und Bussen haben Klimakompressoren mit veränderbarem Hub. Damit sind sie an die die Kälteanforderung anpassbar, und verschwenden die Energie nicht nutzlos wie die Kompressoren mit festem Hub.

Die Kinematik eines solchen Verstelltriebwerkes ist kompliziert und bedarf der genauen Kenntnis der Kräfte und speziell der Kontaktkräfte in den hoch belasteten Kontaktstellen. Die optimierte Geometrie dieser Last übertragenden Kontaktstellen gewährleistet die Haltbarkeit des Kompressors über die Lebensdauer des Fahrzeugs.

Integration von Simulation in das 3D-CAD-System

sw9Wichtige Kriterien für die Einführung der Solidworks Produkte waren neben der Funktionsvielfalt und der einfachen und intuitiven Bedienung die volle Integration der Simulationssoftware in das Bedienumfeld des 3D-CAD-Systems. „Man kann einfach zwischen der Konstruktionsumgebung und den Analysetools hin- und herschalten, ohne dabei die Oberfläche verlassen zu müssen. Das ist sehr komfortabel und Zeit sparend. Die bei einem Im- bzw. Export von Daten in ein externes Berechnungswerkzeug möglichen Fehlerquellen werden auf diese Weise vermieden“, so Giese. „Zudem ermöglicht die Multiprozessorunterstützung der Simulation und Flow Simulation Software eine sehr leistungsfähige Basis für die parallel zur Konstruktion laufenden Berechnungsprozesse.“

Konstruktion eines Kompressorgehäuses

sw1Anhand der Konstruktion eines Kompressorgehäuses werden die Vorzüge der Analysesoftware deutlich. Zur optimalen Auslegung des Gehäuses wurde es unter Berstdruck an die Grenze der Belastbarkeit gebracht. Giese: „Bei dieser Art der Prüfung kommt es auf eine feine Netzdarstellung in den vermuteten kritischen Bereichen an. In diesem konkreten Fall habe ich die Analyse im direkten Vergleich mit Ansys vorgenommen, den Solidworks Simulation hinsichtlich des Zeitaspekts deutlich gewonnen hat.“

Auch bei der Optimierung eines Kompressor-Schwenkantriebs mit Kontaktstellen konnte die Software punkten. „Die vielen Kontaktstellen mussten sehr genau modelliert werden, um die Belastung realitätsnah zu berechnen und Änderungsnotwendigkeiten abzuleiten. Die mit Simulation ermittelten Ergebnisse deckten sich zum Beispiel mit den berechneten Tragbildern sehr gut.“ Bei diesem Projekt wurden zirka 50 unterschiedliche Analysen angewandt, wobei hierbei zur Vermeidung von Kantenlasten, der Prüfung des Tragbildes von Gleitlagern eine zentrale Bedeutung zukam. Die Analyseergebnisse führten wiederum zu vier verschiedenen Konstruktionen, die miteinander verglichen wurden. Letztlich wurden laut Giese die Geometrie und die Oberflächenbehandlung der Gleitlager verändert und dadurch die besten Resultate erzielt.

Prüfung für die Mehrheit der Konstruktionen

Zirka 80 % aller Produktkonstruktionen, die Materialien wie Stahl, Aluminium und Kupfer sowie verschiedene Kunststoffe vereinen, werden bei Optoform einer Konstruktionsprüfung unterzogen. Besonderes Augenmerk liegt heute auf der Leichtbauweise, die laut Giese nur mit konsequenten FEM-Berechnungen möglich ist: „Materialverbrauch und Energiekosten spielen eine immer wichtigere Rolle in der Konstruktion, da hier die Weichen für ökologische Produkte gestellt werden. Der Simulation kommt dabei eine tragende Rolle zu. Die Analysewerkzeuge von Solidworks bieten sehr leistungsfähige FEM- und CFD-Berechnungen, die keinen Vergleich mit „großen“ Paketen anderer Hersteller scheuen müssen. Mit ihnen lassen sich mehrere Varianten durchspielen, um das theoretische Optimum zu finden.“


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