Infoplaner. FEM: Software Support Seminare Consulting Entwicklung. FEM-Simulation von der Geometrieübernahme bis zum Projektbericht:

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1 Ausgabe 01/ /2010 Infoplaner FEM: Software Support Seminare Consulting Entwicklung FEM-Simulation von der Geometrieübernahme bis zum Projektbericht: ANSYS das volle Programm ANSYS Anwendungen im Konsumgüterbereich Für jeden etwas: Viele neue ANSYS Produkte CAE-Weiterbildung bei esocaet

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3 Editorial CADFEM 25 Jahre in den Charts Ich freue mich, den 25. Geburtstag der CADFEM GmbH ankündigen zu dürfen. Der Notartermin der CADFEM GmbH war am 29. März Das war zu der Zeit, als Kanzler Kohl regierte, Michael Gorbatschow zum Generalsekretär der KPdSU gewählt wurde, Joschka Fischer als erster grüner Minister in Turnschuhen die Ernennungsurkunde überreicht bekam und Boris Becker zum ersten Mal Wimbledonsieger wurde. Die FEM hatte bereits etwa 15 Jahre zuvor ihre ersten Schritte in der indiustriellen Anwendung gemacht. Einer der Pioniere war John Swanson, der Entwickler von ANSYS, der seine Firma SASI, Inc.1970 gründete. Sie war 1985 auf 75 Mitarbeiter angewachsen und machte einen Umsatz von rund 10 Millionen US $. Gerechnet wurde damals auf so genannten Mainframes im Timesharing-Verfahren, aber auch schon lokal auf Abteilungsrechner wie der VAX 11/750 oder der MicroVAX II, die sich unsere junge Firma für DM gerade noch leisten konnte. Mit ihren 2 MB Hauptspeicher und 150 MB Festplatte und einem Tektronix-Bildschirm (40.000, DM) wurde versucht, Kunden von der interaktiven Arbeitsweise zu überzeugen. Support habe ich, wenn unterwegs, im Telefonhäuschen gegeben, versorgt mit einer Hosentasche voll Münzen. Die waren manches Mal verbraucht, bevor die Fragen beantwortet werden konnten. Programmdaten von fehlerhaften Läufen wurden auf Band gespeichert und per Post versandt. Bis zur Lieferung hatte sich erfreulicherweise das Problem oft von selbst gelöst oder der Kunde hat sich nicht mehr daran erinnert, dass er ein Problem hatte. Von den alten Zeiten gibt es viel zu berichten. Von einem aufwändigen Firmengeschichtsbuch wollte ich absehen. Zeitgemäß habe ich mich für das Medium Internet entschieden und so werden Sie unter der Rubrik CADFEM 25 auf ausgewählte Dokumente, die über das Jahr stückweise hochgeladen werden, studieren können. Wer CADFEM von den Anfangszeiten noch kennt, wird sicher gerne darin browsen und vielleicht interessiert sich auch die jüngere Generation, wie Pioniere der FEM gearbeitet haben. Beiträge von Kunden der ersten Stunde nehme ich gerne auf. Bedanken möchte ich mich bei unseren Kunden, insbesondere bei jenen aus der Anfangszeit, die so mutig waren, einem jungen Unternehmen ihr Vertrauen zu schenken. Mein Dank gebührt auch den treuen Softwarepartnern wie ANSYS, Inc. Meilensteine die ersten Jahre 1982 Gründung Ingenieurbüro für Maschinenbau und Bauwesen Dr.-Ing. Günter Müller ANSYS Support Representative Europe 1985 Gründung CAD-FEM GmbH ANSYS Support Distributor 1986 Anschaffung einer MicroVAX II 2 MB Hauptspeicher, 150 MB Festplatte 1987 Vertriebspartner von LSTC (LS-DYNA) 1988 Forschungsprojekt CARMAT 2000 im Rahmen von EUREKA 1989 Erster Infoplaner 1990 Projekt Very Large Telescope (VLT), European Southern Observatory (ESO) Erste Kontakte zu Uni Dresden, Chemnitz, Magdeburg 1991 Erste Firmenbroschüre Geschäftsstellen in Stuttgart, Hannover Unbekannte auf PC gelöst über Nacht Auflage FEM für Praktiker 10. Users Meeting in Arolsen Partnerschaft mit SVSFEM in Tschechien Users Meeting in Tschechien Umzug nach Grafing: Wildbräu Gebäude 1994 Partnerschaft mit MESco in Polen Mitarbeiter, 6,9 Millionen Umsatz Gründung CAD-FEM AG in Aadorf, Schweiz zusammen mit Markus Dutly und LSTC, deren Produkte ANSYS und LS-DYNA zu den Marktführern zählen und die den Grundstein für das Gedeihen der Firma CADFEM gelegt haben. Nicht zuletzt gilt der Dank den Mitarbeitern, die sich für die Firma einsetzen. Kunden, Softwarepartner und Mitarbeiter und etwas Glück haben dazu beigetragen, dass sich die Firma von anfangs zwei Mitarbeiter auf heute gut 130 vergrößert hat. Zählt man die verbundenen Unternehmen dazu, dann sind wir rund 300 Mitarbeiter, vertreten in mehreren Ländern in Europa, in Asien und in den USA. In unserem Geschäftsfeld der numerischen Simulation zählen wir in Zentraleuropa zu den führenden Anbietern und sind auch weltweit gut bekannt. CADFEM war von Anfang an und jedes Jahr profitabel und musste noch nie Mitarbeiter entlassen oder Kurzarbeit anmelden. Unsere Mitarbeiter sind am Erfolg der Firma über Bonuszahlungen beteiligt. Selbst im Weltkrisenjahr 2009 gab es einen Bonus, was von den Mitarbeitern sehr positiv aufgenommen wurde. Wir sind ein typisches Familienunternehmen, das langfristig denkt und den Mitarbeitern viel Selbständigkeit erlaubt, aber auch verantwortliches Handeln abverlangt. Starre Regeln und Bürokratie werden auf ein Minimum begrenzt, ein gewisses Maß an Chaos in Kauf genommen, gesunder Menschenverstand, Bodenständigkeit und aktives Mitdenken groß geschrieben. Das verleiht CADFEM Flexibilität und ermöglicht eine schnelle Anpassung an ein sich ständig änderndes Umfeld. Den Geburtstag wollen wir feiern. Mit Mitarbeiter und Angehörigen beim Sommerfest am 25. Juni. An diesem Freitag bitten wir Sie, Supportfragen und selbst Bestellungen auf den folgenden Montag zu verschieben. Mit unseren Kunden wollen wir bei der ANSYS Conference und 28. CADFEM Users Meeting vom November in Aachen auf 25 Jahre anstoßen. Dazu laden wir Sie heute schon ein. Falls Sie jetzt stutzen und sich fragen, warum in 2010 das 28. Jahrestreffen durchgeführt wird: Das liegt daran, dass ich schon seit 1982 selbständig bin und das 1. Meeting 1983 stattfand. Dr.-Ing. Günter Müller Infoplaner 01/2010 1

4 CADFEM ANSYS Conference & 28. CADFEM Users Meeting November 2010, Aachen, Eurogress ANSYS CONFERENCE & 28. CADFEM USERS MEETING Strömungsmechanik Strukturmechanik Multiphysik Elektromagnetik Schaltungen & Systeme Batterien & Brennstoffzellen Materialdesign Medizin und Biomechanik Werkzeugmaschinen & Simulation Kunststoffe & Simulation Motoren & Simulation Anwendervorträge Software-Neuheiten Kompaktseminare November 2010, Aachen, Eurogress Einladung & Call For Papers Foto: aachen tourist service e.v. ANSYS Conference & 5. CADFEM Austria Users Meeting April 2010 Wien, Schloss Schönbrunn ANSYS Conference & 15. Schweizer CADFEM Users Meeting Juni 2010 Zürich, Hotel Zürichberg 2 Infoplaner 01/2010

5 CADFEM Land der Ideen: Technologietransfer vom Automobil zum Patienten Computergestützte plastische Chirurgie ist das Thema der Forschungsgruppe CAPS (Computer Aided Plastic Surgery), einem engen Partner der CADFEM GmbH im Bereich Medical. Jetzt erhielt die Gruppe unter der Leitung von Privatdozent Dr. Laszlo Kovacs, Klinik für Plastische Chirurgie und Handchirurgie am Klinikum rechts der Isar der TU München die Auszeichnung Ausgewählter Ort 2010 im Wettbewerb 365 Orte im Land der Ideen in der Kategorie Wissenschaft und Technik. Prämiert wurde das Projekt Vom Automobil zum Patienten: Technologie und Medizin finden zusammen, das am 27. März 2010 bei einem Symposium in der BMW Welt München der Öffentlichkeit vorgestellt wurde. Foto: BMW Welt Räumliche Modelle sind in der industriellen Produktentwicklung bereits weit verbreitet. Unser Ziel ist es, auch den menschlichen Körper dreidimensional exakt abzubilden, um den Erfolg von Operationen in der Plastischen Chirurgie objektiv messbar zu machen und die Versorgung unserer Patienten zu verbessern, fasst Kovacs die ausgewählte Arbeit seiner Forschungsgruppe zusammen. Unter der Schirmherrschaft des Bundespräsidenten prämiert die Initiative Deutschland Land der Ideen im Rahmen des bundesweiten Wettbewerbes seit fünf Jahren innovative Ideen, die sich als Ausgewählte Orte der Öffentlichkeit präsentieren. Der Preis wurde von Andreas Brandt von der Deutschen Bank, einem der Projektpartner des Wettbewerbs, verliehen. Die Forschungsgruppe CAPS nutzt 3D-Technologien, die in der Industrie bereits etabliert sind, um Modelle von Patienten zu entwerfen. So können bereits vor der Operation körperliche Veränderungen simuliert werden. Zudem erhalten Patienten vorab eine Vorstellung vom zu erwartenden Ergebnis eines Eingriffs. Mit dem Einsatz der neuen Technologie betritt die Gruppe medizinisches Neuland. Unterstützt wird sie dabei auch von den Industriepartnern CADFEM GmbH und Materialise GmbH, die eine sehr große, langjährige Expertise auf dem Gebiet der Simulation und Modellierung mit einbringen. Im Rahmen des Symposiums wurde der Brückenschlag von der Industrieanwendung moderner Simulationsverfahren zum Nutzen dieser Technologien in der Medizin anhand von Beispielen vorgestellt. Verschiedene Fachbeiträge konkretisierten das Thema der Veranstaltung Vom Automobil zum Patienten: Technologie und Medizin finden zusammen. Kovacs: Da die erfolgreiche Entwicklung von CAPS nicht ohne das fruchtbare Umfeld der TU München hätte stattfinden können, wollten wir das Symposium in enger Partnerschaft mit Vertretern der TU München und mit kooperierenden High-Tech-Unternehmen ausrichten. So konnten wir die innovativen Technologien in Vorträgen und mit Hilfe von Demoständen auch für den Laien verständlich darstellen. i Information Weitere Informationen über den Wettbewerb Über CAPS Computer Aided Plastic Surgery Ansprechpartner CADFEM Medical Christoph Müller, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) Infoplaner 01/2010 3

6 Inhalt Inhalt FEM-Simulation: Überall zuhause In der produzierenden Industrie sind Simulationsprodukte von CADFEM praktisch in allen Branchen anzutreffen. Die Anwendungsbreite von ANSYS und komplementären Tools macht dies möglich. Sie ist auch der Garant dafür, dass ANSYS, LS-DYNA und Digimat innerhalb einer Branche für sehr vielfältige und komplexe Aufgabenstellungen herangezogen werden. Ein Streifzug durch die Konsumgüterbranche zeigt das Spektrum bei führenden Markenartikelherstellern. 10 Seite Berufsbegleitend zum CAE-Master Mit dem berufsbegleitenden Master-Studiengang der esocaet (European School of Computer Aided Engineering Technology) besteht eine einzigartige Möglichkeit, Arbeiten und praxisorientiertes Studieren miteinander zu verbinden. 09 Seite 09 Noch mehr herausholen aus ANSYS! Das umfassende ANSYS Seminarprogramm von CADFEM unterstützt ANSYS Kunden dabei, schnell und gezielt ANSYS Know-how auf- und auszubauen. 36 Seite 36 High Performance Computing Mit High Performance Computing (HPC) kann die Rechenzeit von sehr großen und sehr komplexen Modellen drastisch verkürzt werden. Wir haben wichtige Informationen zu ANSYS HPC zuammengefasst. 38 Seite 38 Nichtlinearitäten in der strukturmechanischen FEM-Berechnung Nichtlinear ist, wenn es nicht konvergiert, jedenfalls nicht auf Anhieb. Wohl dem, der durch Kenntnis der Theorie und der Algorithmen gezielt vorgehen kann. 48 Seite 48 4 Infoplaner 01/2010

7 Inhalt / Impressum 01 Editorial CADFEM 02 CADFEM Users Meetings Land der Ideen: Technologietransfer vom Automobil zum Patienten 06 CADFEM Consulting: Simulation mit Tiefgang 26 Weit weg & hoch hinaus 43 CADFEM Consulting: Hydro-Acoustic Simulation of a Hydraulic Hammer 52 Rückblick: CADFEM Users Meeting 2009 in Leipzig CAE-Weiterbildung 08 Das CAE-Training efem für Praktiker: Simulation verstehen 09 Berufsbegleitendes CAE-Studium: Der praktische Weg zum Spezialisten Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich 10 FEM-Simulation: Überall zuhause 11 Time for ANSYS: ANSYS at Audemars Piguet & Cie. S.A. 14 ANSYS Simulation in Reinkultur bei der V-ZUG AG 16 Hansgrohe: Ein Fall für ANSYS Explicit 18 Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen 20 Integrative Simulation mit Digimat bei MIELE 22 Black & Decker... & LS-DYNA 24 Wenn ein LAMY Schreibgerät auf den Boden fällt... ANSYS & Neue ANSYS Produkte 28 ANSYS & CADFEM: Ihr Competence Center FEM 30 Elektromagnetische Feldsimulationen mit Maxwell 31 Simulation von mechatronischen und Multi-Domain-Systemen mit Simplorer 32 Integrierte Betriebsfestigkeitsanalyse mit ANSYS ncode DesignLife 33 Mehrkörpersimulation mit ANSYS Rigid Dynamics 34 Simulation von Faserverbundwerkstoffen mit ANSYS Composite PrepPost 35 Aufbereitung von CAD-Geometrien mit ANSYS SpaceClaim 36 Vertiefungs- und Effizienzseminare: Noch mehr herausholen aus ANSYS! 38 High Performance Computing mit ANSYS 40 ANSYS Workbench: Noch flexibler durch Diffpack-Integration 42 Die CADFEM Toolbox zur Erweiterung von ANSYS Workbench 44 Mikromechanische Untersuchung von faserverstärkten Kunststoffen mit ANSYS HPC Grundlagen und Technologie 46 3D-Kunststoffdruck: Materialsimulation auf multiplen Skalen 48 Nichtlinearitäten in der strukturmechanischen FEM-Berechnung 54 Veranstaltungen 55 Neue Fachzeitschrift: CAME Computer Aided Medical Engineering 56 Bestellformular für Bücher und Software U2 Anzeige Microsoft U3 Anzeige Hoppenstedt Publishing U4 Adressen Impressum Herausgeber: CADFEM GmbH Marktplatz Grafing b. München Tel. +49 (0) Fax +49 (0) Anzeigen/Koordination/Redaktion: Alexander Kunz, Christoph Müller, Titelbild: V-ZUG AG, Zug (CH) Layout: christian loose grafik design, Aßling/Lorenzenberg Produktion: Bechtle Druck & Service, Esslingen Auflage Exemplare Copyright: 2010 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsschutzes ist ohne Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig. Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen: ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS, ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics, ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt, ANSYS ncode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYS HPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind registrierte Warenzeichen oder Warenzeichen von ANSYS, Inc. und Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT und LS-PrepPost sind registrierte Warenzeichen der Livermore Software Technology Corp.. Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sind Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vorbehalten. Trademarks: ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS, ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics, ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt, ANSYS ncode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYS HPC and all ANSYS, Inc. product and service names are registered trademarks or trademarks of ANSYS, Inc. and Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT, and LS-PrepPost are registered trademarks of Livermore Software Technology Corp.. All other trademarks or registered trademarks are the property of their respective owners. Missing trademark symbols do not indicate that names of companies or products are not protected. All information subject to mistakes and alteration. Infoplaner 01/2010 5

8 CADFEM CADFEM Consulting Simulation mit Tiefgang Ein nicht alltägliches Projekt wurde im vergangenen Jahr an das CADFEM Consulting herangetragen: Die holländische Dutch Amphibious Transport Vehicles BV (DATV) aus Nijmegen nahm die Dienste des CADFEM Consulting Teams in Anspruch, um ein außergewöhnliches Buskonzept zu realisieren, den Amfibus. Neben der Ermittlung eines optimalen Designs für das Amphibienfahrzeug, das zusätzlich zum normalen Straßenverkehr, auch den festen Untergrund verlassen und seine Reise im Tiefgang durch Flüsse und andere Gewässer hindurch fortsetzen kann, mussten auch die notwendigen Zulassungsnachweise auf dem Wege der Simulation mit LS-DYNA erbracht werden. Der Amfibus kann bis zu 45 Passagiere transportieren. Das Fahrzeug basiert auf einem Volvo-Chassis und einem Schiffskörper. Beim Übergang von der Straße in ein Gewässer aktiviert der Fahrer ein doppeltes Wasserdüsenaggregat, was den Amfibus beim Flussübergang zu einer echten Alternative zu einer traditionellen Fähre macht. Zudem eröffnet er dem Tourismus ganz neue Perspektiven man denke an eine Stadtrundfahrt durch die Amsterdamer Grachten. Der Amfibus beim Wechsel vom Wasser auf die Straße Das Berechnungsprojekt Analysiert wurde vom CADFEM Consulting Team das Busumsturzszenario des Amphibienbusses nach den ECE.R66 Regularien der UNECE (United Nations Economic Commission for Europe). Die Erfüllung der in der ECE R66 Regularien festgelegten Kriterien ist notwendig, um Busfahrzeugen die Straßenzulassung Realtest des Busumsturzes zu erteilen. Insbesondere Eindringungen in den festgelegten Überlebensraum der Passagiere sind nach den Regularien nicht zulässig. Die Berechnung des Busumsturzes wurde mit LS-DYNA durchgeführt und im Anschluss durch den RDW (Rijksdienst voor het Wegverkeer) in den Niederlanden begutachtet. 6 Infoplaner 01/2010

9 CADFEM Foto: Dutch Amphibious Transport Vehicles BV i Information Ansprechpartner CADFEM Consulting Deutschland Dr.-Ing. Marold Moosrainer Tel. +49 (0) Simulationsergebnis des Busumsturzes In Zusammenarbeit mit dem Kunden wurden auf Basis der Ergebnisse der Simulationen verschiedene konstruktive Varianten analysiert bis die Erfüllung der ECE.R66 Regularien durch die Simulation gewährleistet werden konnte. Auch wurden dem RDW die Berechnungen präsentiert und in Detailfragen so aufgelöst, dass eine Zertifizierung nach den ECE R66 Regularien erfolgen konnte. Minimaler Abstand zum Überlebensraum in der endgültigen Variante des Busses. Durch die Simulation des Busumsturzes konnte die Anzahl der notwendigen Realtests deutlich reduziert werden. Basierend auf den Berechnungsergebnissen wurde die Zulassung durch den RDW erteilt. Auf zusätzliche Realtests des gesamten Busses konnte verzichtet werden. Oder via CADFEM CAE-Line Tel. +49 (0) Schweiz Philipp Huber Tel. +41 (0) Österreich Christoph Schlegel Tel. +43 (0) Informationen zum Amfibus Infoplaner 01/2010 7

10 CAE-Weiterbildung CAE-Training: Simulation verstehen efem für Praktiker vermittelt Konstrukteuren, Versuchsingenieuren und Technikern die Grundlagen der FEM- Simulation in einer praxisorientierten, flexiblen und effizienten Kombination aus e-learning und Präsenzseminaren. Der intensive Lerndialog und eine konsequente Begleitung durch einen Tutor sichern den Lernerfolg. Warum kann das CAE-Training efem für Praktiker für Sie als Konstrukteur, Versuchsingenieur oder Techniker eine wichtige Zusatzqualifikation sein? Weil Wissen auf dem Gebiet der Simulationstechnik für Richtiges Erfassen auftretender Belastungen Durchführung geeigneter mechanischer Validierungsberechnungen Ergebnisauswertung und -dokumentation Vermeidung typischer Fehler Das erworbene Wissen vertiefen Sie in einer abschließenden Fallstudie: Anhand eines Für die Teilnahme am e-learning benötigen Sie einen Rechner mit Browser und Breitbandinternetanschluss. Bei Bedarf können wir Ihnen für die Kursdauer den Zugriff auf eine Trainingslizenz gewähren. Zielgruppe Konstrukteure Versuchsingenieure Techniker Sie bedeutet, ein noch besseres Verständnis Ihrer Bauteile und Baugruppen zu entwickeln. Sie können diesen und andere Vorteile, die sich durch den Einsatz der Simulation ergeben, konsequent in Ihrer täglichen Arbeit nutzen. Das gezielte Vermeiden möglicher Fehlerquellen erhöht zudem die Qualität Ihrer Produkte. Ziel dieses neuen CAE-Trainingsangebotes von esocaet (European School of Computer Aided Engineering Technology) ist es, dass Sie Simulationsaufgaben im Bereich der linearen Strukturmechanik selbstständig und Ressourcen sparend lösen können. Kursinhalt Im Laufe des Kurses erwerben Sie folgende Fähigkeiten: Festlegung der Simulationsziele Grundkonzepte der Finite-Element- Methode Import von CAD-Daten und deren Aufbereitung realen Bauteils führen Sie eine umfassende FE-Simulation durch. FEM-Ausbildung am Arbeitsplatz oder zu Hause Praxisorientierte Vermittlung der Lehrinhalte Intensiver Lerndialog durch kleine Lerngruppen 140 Lerneinheiten in 3 Monaten (ca. 8 Stunden/Woche) Zeitliche Flexibilität durch e-learning 3 Präsenzseminare & regelmäßige Onlinesprechstunden Kontinuierliche Unterstützung durch Tutoren Teilnahmevoraussetzungen Für die erfolgreiche Teilnahme am Kurs benötigen Sie grundlegende Mechanikkenntnisse aus einer technischen Ausbildung. Auch sollten Sie mit der Handhabung einer gängigen CAD- und Internetsoftware (Browser, , Texteditor) vertraut sein. Kosten 3.200, EUR (inkl. MwSt.) Der Kurs ist nach AZWV zertifiziert. i Information Kurse ab 17. Juni 2010 in Grafing ab 30. September 2010 in Dortmund Firmenschulung auf Anfrage Ansprechpartner Anja Höller CADFEM GmbH Tel. +49 (0) Infoplaner 01/2010

11 CAE-Weiterbildung CAE-Studium: Der praktische Weg zum Spezialisten Mit dem zweijährigen berufsbegleitenden Master-Studiengang der esocaet (European School of Computer Aided Engineering Technology) besteht eine einzigartige Möglichkeit, Arbeiten und praxisorientiertes Studieren miteinander zu verbinden, um den staatlich anerkannten Abschluss als Master of Engineering zu erlangen. esocaet ist ein Geschäftsbereich der CADFEM GmbH, der sich auf die softwareunabhängige CAE-Weiterbildung spezialisiert hat. Der Master-Studiengang Applied Computational Mechanics wird in einer so genannten Private-Public-Partnership gemeinsam mit den Hochschulen Ingolstadt und Landshut angeboten. Im September 2010 startet zum sechsen Mal der englischsprachige Kurs, den bisher insgesamt mehr als 50 Studierende aus Europa, Asien und Amerika belegten. Der modulare Aufbau des CAE-Studiums berücksichtigt umfassende und tiefgehende Lehrinhalte aus den verschiedenen Anwendungsbereichen der Simulation innerhalb der virtuellen Produktentwicklung. Dabei werden sowohl die theoretischen Grundlagen als auch die industrieorientierten praktischen Anwendungen vermittelt. Für Ingenieure mit Berufserfahrung Das Angebot wendet sich an Ingenieure mit Berufserfahrung, die sich berufsbegleitend weiterbilden wollen. Vorausgesetzt werden ein erster Hochschulabschluss und anschließende Berufserfahrung. Diese ist eine äußerst sinnvolle Grundlage, um die Lehrund Praxisangebote der Masterausbildung möglichst umfassend nutzen zu können. Qualifizierte Weiterbildung Mit den Hochschuldozenten aus Ingolstadt und Landshut, aber auch aus anderen Hochschulen und Universitäten sowie CAE- Spezialisten aus unterschiedlichen Industriebranchen wird eine qualifizierte Ausbildung in kleinen Gruppen mit ca Studierenden organisiert, die aus Vorlesungen, praktischen Übungen und Laboreinheiten besteht. Dadurch kann eine besonders intensive Betreuung der Teilnehmer abgesichert werden. Dies ist sinnvoll, da es sich um ein sehr anspruchsvolles Studium handelt, das viel Energie und Engagement erfordert. Für die Arbeitgeber der Studierenden zahlt sich die Zeitinvestition hier aus, schließlich werden aktuelle Simulationsprobleme mit den erfahrenen Lehrkräften aus Wissenschaft und Industrie diskutiert. Praxisorientierung Die Praxisorientierung des Studiums bezieht sich aber auch auf Randthemen, mit denen sich jeder versierte Simulationsspezialist beschäftigen sollte: Qualitätsmanagement, Prozessentwicklung, Projektmanagement, Teambildung sowie der generellen Organisation des Produktentstehungsprozesses von der Idee über die Konstruktion bis zur Fertigung. Die 28 Absolventen, die den Master-Studiengang schon erfolgreich abgeschlossen haben 25 weitere Studenten sind zur Zeit in der berufsbegleitenden CAE-Weiterbildung sind bestens ausgebildet, um Positionen als qualifizierte CAE-Spezialisten, Projektmanager oder Entwicklungsleiter zu übernehmen. Da die international anerkannte Ausbildung in englischer Sprache durchgeführt wird, können so auch geeignete Mitarbeiter von ausländischen Niederlassungen (Osteuropa, Asien, Südamerika usw.) während eines unternehmensinternen Trainee-Programms ausgebildet werden. Lohnende Investition Auf den ersten Blick mögen die Gebühren von Euro pro Semester relativ hoch erscheinen, wenn sie mit rund 500 Euro Semesterbeitrag einer staatlichen Universität verglichen werden. Beim genaueren Hinsehen ist jedoch schnell erkennbar, dass die höhere Summe gut angelegt wurde: Der Absolvent eines Bachelor-Studiengangs oder eines ähnlichen Studiums steigt (zwei Jahre) früher ins Berufsleben ein, und sorgt folglich auch schon früher für seine Rente, als derjenige, der sofort nach dem ersten Studienabschluss mit einer Masterausbildung beginnt. Unterm Strich entsteht so für Master-Absolventen eines berufsbegleitenden Studiums schon nach wenigen Jahren, trotz der Bezahlung der Studiengebühren, ein erhebliches Plus auf ihrem Konto. Außerdem sind Aufwendungen für diese Weiterbildung in der Regel steuerlich absetzbar. Oft übernimmt der Arbeitgeber aber auch einen Teil der Kosten für das Masterstudium, weil er direkt von der zusätzlichen Qualifikation des Mitarbeiters profitiert. Autor Gerhard Friederici i Information Bewerbung bis zum 15. Juni 2010 möglich Ansprechpartner Anja Vogel CADFEM GmbH Tel. +49 (0) Infoplaner 01/2010 9

12 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich FEM-Simulation: Überall zuhause In der produzierenden Industrie sind Simulationsprodukte von CADFEM praktisch in allen Branchen anzutreffen. Die Anwendungsbreite von ANSYS und komplementären Tools macht dies möglich. Sie ist auch der Garant dafür, dass ANSYS, LS-DYNA und Digimat innerhalb einer Branche für sehr vielfältige und komplexe Aufgabenstellungen herangezogen werden. Ein Streifzug durch die Konsumgüterbranche zeigt das Spektrum bei führenden Markenartikelherstellern. Auf den folgenden Seiten geben namhafte Hersteller von höchst unterschiedlichen Haushaltsgeräten und Gütern des täglichen Lebens Einblick in ihre Entwicklungsprozesse. Sie haben gemeinsam, dass dabei Simulationstechnologien und Dienstleistungen von CADFEM und ANSYS eine wichtige Rolle spielen. Wie die Beispiele aus den Bereichen Uhren, Haushaltsgeräte, Sanitär oder Schreibgeräte zeigen, ist ANSYS längst auch in der Konsumgüterbranche zuhause. Ausnahmen bestätigen die Regel, rücken doch die Beiträge von Black & Decker und Miele die CADFEM Simulationslösungen LS-DYNA und Digimat in den Mittelpunkt, wobei auch diese Unternehmen darüber hinaus auf ANSYS setzen. Uhren: Time for ANSYS ANSYS, LS-DYNA und optislang in der Uhrenentwicklung bei Audemars Piquet & Cie. SA Seite Haushaltsgeräte: ANSYS Simulation in Reinkultur Entwicklungsbegleitende ANSYS Anwendungen bei der Schweizer V-ZUG AG Seite Sanitär: Ein Fall für ANSYS Explicit Falltestsimulation von Duschköpfen bei Hansgrohe Seite Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen Strömungssimulation mit ANSYS CFX Seite Haushaltsgeräte ll: Integrative Simulation mit Digimat bei Miele Berücksichtigung des Spritzgusses in der Festigkeitsberechnung Seite Bohrhämmer: Black & Decker... & LS-DYNA Sicherstellung der strukturmechanischen Robustheit von Außenstruktur, Hammerantrieb und Werkzeughalter Seite Wenn ein LAMY Schreibgerät auf den Boden fällt... Aufprallsimulation eines Drehbleistiftes von LAMY Seite Infoplaner 01/2010

13 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich Time for ANSYS Dimensioning and Optimization of Flexible Watch Industry Mechanical Components with ANSYS/LS-DYNA, ANSYS Workbench and optislang Watch industry mechanisms involve a large number of high precision flexible pre-constrained mechanical components. Using traditional prototyping, the definition of non-deformed geometries for production is a costly manual iterative process. The use of non-linear finite elements modeling improves this process and the coupling of the finite elements codes to a stochastic optimization toolbox like optislang makes it automatic and more robust. Finite elements modeling provides an important contribution to the development process at Audemars Piguet & Cie SA. Virtual prototyping is used to anticipate dimensioning problems and therefore reduce the number of prototypes. Amongst the wide range of components constituting a bracelet watch, three key mechanisms are presented below as examples where numerical simulation is used nowadays. Optimization of a Date Mechanism with ANSYS/LS-DYNA Figures 1a and 1b show the mechanism that allows changing the date display every 24 hours. This mechanism is composed of three main parts; The mechanisms used in this study belong exclusively to Audemars Piguet & Cie SA (www.audemarspiguet.com). Pictures: Audemars Piguet & Cie SA Fig. 1a: Loaded date mechanism at time t=0.01s. (display disc diameter = 12 mm Fig. 1b: Zoom on the trigger bloc (cam diameter = 2.2 mm) 1. The display disc 2. The trigger bloc (that stores energy and transfers it to the display disc) 3. The jumper bloc (that brakes the display disc) A cycle of this mechanism starts with the loading of the trigger spring. When the date has to change, the cam blocking spring releases the pin and the potential energy stored in the trigger spring rotates the cam and its finger that pushes a tooth of the display disc. The resulting rotation of the display disc is braked by the jumper and its spring so that only one tooth passes the jumper and therefore the date changes by only one increment. The complexity of this mechanism resides in the need of setting and balancing the way the energy is released by the trigger string and the way the energy is dissipated in the jumper bloc so that the date change occurs instantaneously to the eye (typically within s) but robustly enough so that the display never jumps a date. The geometrical shapes of the jumper spring, the jumper and the trigger spring were optimized with a three dimensional Infoplaner 01/

14 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich ces set within 2% of the required value while the maximum stress was 10% smaller than the value calculated with the initial geometry (fig. 5). The mechanism was produced and fulfilled expectations. Fig. 2: Display disc angular velocity. A positive velocity means a clockwise rotation on figure 1a. dynamic model created with ANSYS/ LS-DYNA (fig. 1). The calculated angular velocity of the display disc (fig. 2) shows a positive acceleration of the disc by the trigger bloc (a-b), a sudden reversed acceleration when tooth 2 (fig. 1a) bounces on the steep face of the jumper (b-c), a positive acceleration again when tooth 1 touches the jumper again (c-d) and a final stabilization between teeth 1 and 2 (d-e). The loading moment of the trigger spring was measured experimentally and is in good agreement with the simulated values (fig. 3). Furthermore, the pre-series mechanism that was produced based on the design obtained with ANSYS/LS-DYNA has fulfilled acceptance criteria and allowed launching production without any further prototype. Force Tuning of a Set Time Mechanism with ANSYS Workbench and optislang Figure 4 shows the set time mechanism connected to the pull-out button of a watch. The button actuates a winding shaft that can be pulled up to its stop position; its rotation then allows time setting. The winding shaft is connected to the pull-out Fig. 3: Comparison between simulated and measured trigger bloc moments. Fig. 4: Set time mechanism piece via a pin. The pull-out piece can rotate on a fixed axis but is constrained by the spring that pushes on a pin at its end and therefore sets its actuation moment. The maximum traction force on the winding-shaft has to be 5N in order to ensure a good sensitivity when pulling with the fingers on the set time button. At the same time, stresses in the spring have to remain below the yield strength. A two dimensional parametric model of the spring and its non-linear frictional contact with the pin of the pull-out piece was created with ANSYS Workbench and coupled to optislang via the optiplug interface. This allowed to run an automatic parametric optimization of the spring s shape based on eight geometrical input parameters and three objectives: 1. Set the traction force 2.Set the pulling force 3. Minimize structural stresses The optimization algorithm chosen was an adaptive response surface method. After 91 automatic design evaluations, the resulting design had traction and pulling for- Fig.5: Spring initial shape (left) and tuned shape (right). The pin of the pull-out piece is at the force inversion position where stresses reach their maximum. The positioning and angle of the two flat contact faces of the spring determine the pull and push forces. Robust Design Optimization of a Glass Driving Process with ANSYS Workbench and optislang Tightness between glass and watch-case is ensured by a flexible joint (fig. 6). The force needed to remove the glass has to be maximized whereas the force required to drive the glass should be minimized. Plastic deformations in the joint (fig. 7) as well as stresses in the glass and watch-case should also be minimized. 12 Infoplaner 01/2010

15 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich Fig. 6: Bodies taken into account in the model of a glass driving. Fig. 7: Typical results for the equivalent plastic strain in the Hytrel joint a) during the driving process b) with the glass mounted c) after having removed the glass. All plots use the same scale. Fig. 8: Result of the Pareto optimization in optislang. The probability density function for the maximum stress in the watchcase obtained with a robustness analysis for design 203 has been inserted. A quasistatic two dimensional axisymmetric parametric model was created with ANSYS Workbench and coupled to optislang in order to run three different analyses on the model: 1. A sensitivity analysis 2. A Pareto optimization 3. A robustness analysis Amongst a list of 16 geometrical input parameters (dimensions of glass, joint and watch body), the sensitivity analysis delivered a list of 8 most important geometrical dimensions. According to the statistical linear coefficient of importance calculated by optislang, these parameters determine 86% of the maximal withdrawal force, 77% of the maximum glace stress and 65% of the joint maximum plastic strain. In addition to the selection of a subset of most relevant parameters, the sensitivity analysis allowed to gain understanding of the physical system. For instance, the correlations between outputs can be seen at a glimpse in the optislang post processing. In this case, output values that have to be minimized (stresses and strain) and the output value that has to be maximized (removal force) are positively correlated between each other, which means that attempting to maximize the force will also maximize the stresses and strains. In addition to this intuitive qualitative statement, optislang delivered quantitative correlation values that helped defining objective functions for the optimization. Due to these output parameters correlations, a Pareto optimization with two objective functions was chosen; the first objective is a weighted function of the removal force and of the difference between driving and removal force. The second objective function is simply the sum of stresses in the watch-case and in the glass. After 209 design evaluations, the result of this optimization, based on an evolutionary algorithm, is a Pareto front with designs that minimize both objectives (fig. 8). In this case, the choice of a best design along this front is motivated by the need to increase the force (move towards the left) while maintaining the stress low enough (move down on the graph). After having selected a candidate design on the Pareto front, a robustness analysis was run for this design. Probability density functions were defined for each input parameter, including material properties. The resulting output parameter probability density functions could then be integrated in optislang in order to get the probability of being higher than a given stress threshold. This failure probability gives quantitative information on whether the design is sufficiently robust or not. In this case, the failure probability of design number 203 was 20% for gold (inacceptable) and negligible for steel (see 250 MPa limit on the probability density function of fig. 8). Authors Tiavina Niaritsiry, Audemars Piguet SA Joël Grognuz, CADFEM (Suisse) AG i Information Contact Roberto Rossetti, CADFEM (Suisse) AG Phone +41 (0) Infoplaner 01/

16 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich ANSYS Simulation in Reinkultur Die V-ZUG AG ist Schweizer Marktführer im Bereich Haushaltgeräte. V-ZUG entwickelt, produziert und vertreibt hochwertige Geräte für Küche und Waschraum. Seit 2007 setzt V-ZUG auf CADFEM und auf ANSYS. Eine Erfolgsgeschichte. ANSYS Workbench wurden weitere FEM- Lösungen im Detail evaluiert. Als Testpersonen wurden neben dem langjährigen Berechnungsexperten auch zwei Konstrukteure mit nur wenig FEM-Erfahrung herangezogen. Die Testperiode, verknüpft mit einer vorangehenden, individuellen Einführung, dauerte einen Monat. Während dieser Zeit wurden die Lösungen intensiv getestet und verglichen. Die Entscheidung zu Gunsten von ANSYS Workbench fiel aufgrund folgender Kriterien: Benutzerfreundlichkeit: Obwohl ANSYS Workbench nicht dem Look & Feel der gewohnten CAD-Oberfläche entsprach, fanden sich die Konstrukteure schnell zurecht. In jedem zweiten Schweizer Haushalt hilft ein ZUGer Gerät beim Kochen, Braten, Backen, beim Geschirrspülen, beim Waschen oder beim Trocknen. Wenn die 1913 gegründete V-ZUG AG die Bedeutung ihrer Position nicht nur erhalten, sondern sogar ausbauen konnte, so vor allem, weil die Wasch- und Küchengeräte aus Zug eine Philosophie widerspiegeln, die besonders auf die Wünsche des Schweizer Käufers zugeschnitten sind. Dazu gehören vor allem Sparsamkeit im Gebrauch, Langlebigkeit und ein schonender Umgang mit Bild 1: FEM-Gesamtsystem einer V-ZUG Waschmaschine (Bilder: V-ZUG AG) Ressourcen. Seit 1996 werden Berechnungen in der Entwicklung eingesetzt. Im Jahre 2007 wurde das Simulationsportfolio unter Berücksichtigung neuer Anforderungen einer gründlichen Prüfung unterzogen. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen in der Konstruktion und in der Entwicklung wurde forciert. Bereits während den ersten Konstruktionsideen sollte der Entwicklungsprozess durch Simulationen unterstützt und beschleunigt werden. Die Vielfalt und Häufigkeit der Berechnungsaufgaben erforderte es, die Simulationswerkzeuge in der Konstruktionsabteilung breiter zugänglich zu machen. Es war schlicht nicht mehr möglich, alle anfallenden Berechnungsaufgaben durch den FEM- Spezialisten alleine abzudecken. Für CADnahe Berechnungen musste demzufolge für die sporadischen Anwender aus der Konstruktion V-ZUG nutzt CATIA V5 ein neues und besonders benutzerfreundliches CAE-Tool gefunden werden. ANSYS Workbench überzeugte bei der Umsetzung aller Anforderungen. Neben Zusammenarbeit zwischen Konstruktion und Berechnungsspezialisten: Die ANSYS Workbench deckt sowohl die Bedürfnisse von konstruktionsbegleitender Berechnung wie auch die Ansprüche von komplexen Berechnungsaufgaben ab. Lokaler Support Ausschlaggebend war zudem, dass mit CADFEM ein lokaler Ansprechpartner verfügbar vorhanden ist, der mit ergänzenden Dienstleistungen wie Support, Seminare und Consulting die Anwender flexibel und kompetent unterstützen kann. CAD-Integration Die Anbindung des CAD an die Simulationsumgebung (Workbench) erfolgt über die assoziative CATIA-CADNEXUS Schnittstelle. Der Datenaustausch zwischen allen gängigen MCAD Systemen und Workbench entspricht dem einer integrierten Schnittstelle. Diese Integration erlaubt Parameteraustausch und Optimierung. Schnelle Variantenrechnungen, die Basis für eine effiziente Entwicklung, werden somit möglich. 14 Infoplaner 01/2010

17 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich Leiser Schleudern Der Bereich der Anwendungen bei V-ZUG ist sehr vielfältig. Von linearen, statischen Berechnungen, über dynamische Systembetrachtungen bis hin zu komplexen nichtlinearen Berechnungen. Eine qualitativ wichtige Eigenschaft einer Waschmaschine ist der ruhige Lauf während des Schleuderns der nassen Wäsche. Aufgrund der Unwucht (= die exzentrisch liegende nasse Wäsche) erzeugt das System Schwingungsamplituden, welche über eine geeignete Aufhängung gemindert werden müssen. Es gilt zu vermeiden, dass das gesamte System in Resonanz gerät. Kritische Eigenfrequenzen bedeuten für die einzelnen Bauteile zu hohe Belastungen für deren Lebensdauer. Von großem Interesse ist auch, wie sich das System beim Hochfahren bis zur Schleuderdrehzahl verhält. Dazu wird mittels harmonischer Anregung das System in Schwingung gebracht. Die resultierenden Verformungen und Beanspruchungen in den beteiligten Bauteilen werden bestimmt und gegebenenfalls wird die Konstruktion angepasst. Mit diesem Berechnungsmodell lassen sich noch nicht alle physikalischen Phänomene abbilden. Als nächster Schritt erfolgen bei V-ZUG transiente Analysen. Um die Schwingungsamplituden während eines Schleudervorgangs zu reduzieren, entwickelte V-ZUG das innovative und weltweit erste Vibration Absorbing System (VAS). Dieses System gleicht aktiv die Unwucht während des Schleuderns aus. Dadurch können die auftretenden Schwin- Bild 2: Dynamische Berechnungen am Schwingsystem gungen eliminiert und der erzeugte Körperschall reduziert werden. Dicht Dank SOLID285 Mit dem Release ANSYS 12.0 hielt neben vielen neuen Features auch ein neues Element (Solid285) Einzug. Dieses Element, ein lineares Tetraeder-Element mit zusätzlichem Druckfreiheitsgrad, eignet sich hervorragend für die Analyse von Gummibauteilen mit sehr großen Dehnungen (> 100%). Im Gegensatz zu Hexaeder-Elementen und auch Elementen mit quadratischen Ansatzfunktionen, sind wesentlich höhere Deformationen möglich, bei einem stabileren Konvergenz-Verhalten. Skeptiker von linearen Tetraeder-Elementen seien beruhigt. Die Genauigkeit von SOLID285 leidet nicht unter seiner hohen Effizienz. Als idealer Prüfstein für dieses neue Element bot sich bei V-ZUG die Gummidichtung zwischen oszillierendem Bottich und Bild 3: Gummibalg dank SOLID285 schnell und genau berechnet Gehäuse an. Kostbare Zeit konnte bereits bei der Vernetzung eingespart werden. Vor ANSYS 12 mussten Hexaeder-Elemente eingesetzt werden, dies bedeutete erheblichen Aufwand auf der Seite des Anwenders. Nun lassen sich auch komplexe Geometrien automatisch mit SOLID285 Tetraedern vernetzen. Die Berechnung der Gummidichtung erfolgte quasi-statisch. In einem ersten Lastschritt wird das Aufspannen des Balges und das Verpressen durch Schließen der Waschmaschinentüre simuliert. Nachfolgend wird der Bottich in 8 Schritten in einer exzentrischen Kreisbahn verschoben. Untersucht werden dabei die Faltenbildung und die auftretende Beanspruchung des Balges. Die Übereinstimmung mit früheren Berechnungen und mit Versuchen war sehr gut. Somit konnten viele Design-Varianten in kurzer Zeit gerechnet und der Entwicklungsprozess beschleunigt werden. Die Hausfrau, der Hausmann kann sich gut vorstellen, dass sich ein undichter Balg nachhaltig auf das Image des Waschmaschinenherstellers auswirken würde. Das Image von V-ZUG in der Schweiz ist, auch dank umfangreicher Simulationen, sehr gut! Saubere Lösung für Entwickler und Kunden Die Wahl von V-ZUG, ANSYS als umfassendes Berechnungstool zu nutzen, hat sich als gut erwiesen, denn ANSYS Structural für den FEM-Spezialisten und ANSYS DesignSpace für den Konstrukteur eignen sich bestens für die hohen Anforderungen an Qualität und Effizienz bei V-ZUG. CADFEM hat sich als zuverlässiger Partner im Berechnungsalltag etabliert. Die Anzahl der Simulationen von Geometrievarianten konnten gegenüber dem Vorgängersystem wesentlich gesteigert werden. Unbekannte Effekte wurden sichtbar und erklärbar. Das gewonnene Wissen und Know-how fließen direkt in die zukünftigen V-ZUG Geräte ein, zum unmittelbaren Nutzen von fleißigen Hausfrauen und Hausmännern. Autoren Hilmar Meienberg, V-ZUG AG Urs Bänninger, CADFEM (Suisse) AG und Infoplaner 01/

18 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich Ein Fall für ANSYS Explicit Innovativ und technisch führend sind bei Hansgrohe nicht nur die Produkte, sondern auch die Entwicklungsmethoden. In einem Gemeinschaftsprojekt mit CADFEM wurde eine neue Handbrause am virtuellen Prototypen mit dem Programm ANSYS Explicit STR verschiedenen Falltest-Szenarien unterzogen. Das Unternehmen Hansgrohe mit Stammsitz in Schiltach im Schwarzwald hat sich in seiner über 100-jährigen Firmengeschichte innerhalb der Sanitärbranche den Ruf als einer der Innovationsführer in Technologie und Design erworben. Mit seinen Brausen, Armaturen und Duschsystemen schafft Hansgrohe die Originale, die das Bad funktionaler, komfortabler und schöner machen erwirtschaftete das Unternehmen mit seinen Marken Axor, Hansgrohe, Pharo und Pontos einen Umsatz von rund 661 Mio. Euro, im Vergleich zum Vorjahr ein Plus von 16 Prozent. Weltweit beschäftigt die Hansgrohe Gruppe heute rund Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon etwa zwei Drittel im Inland. Das Unternehmen, das intensiv gegen Plagiate und Ideenklau vorgeht, produziert in sechs deutschen Werken, in Frankreich, in den Niederlanden, in den USA und in China. Als Innovator und technologieorientiertes Unternehmen ist die rechnerische Simulation bei Hansgrohe seit Jahren fest im Produktentstehungsprozess verankert. Bei der Auslegung und Optimierung der innovativen Armaturen- und Brausesysteme nutzt das Entwicklungsteam in der Zentrale in Schiltach intensiv die Simulationsplattform ANSYS Workbench für verschiedene strukturmechanische, thermische oder strömungsmechanische Fragestellungen. Längst hat sich ANSYS Workbench zum zentralen CAE-Tool bei Hansgrohe entwickelt. Insbesondere durch die funktionelle Anbindung an die CAD-Umgebung und die gekoppelten Analysemöglichkeiten zwischen Strömungs- und nichtlinearer Strukturmechanik gewinnen die Entwickler in einem frühen Stadium wichtige Erkenntnisse über das Funktionsverhalten der künftigen Produkte und reduzieren Optimierungsschleifen an den Nullserienteilen. Falltest Handbrause Mit der Entscheidung, die neuste Brausengeneration auch komplexen Falltestsimulationen zu unterziehen, hat Hansgrohe einmal mehr als einer der ersten der Sanitätsbranche einen neuen Weg eingeschlagen. In einem Gemeinschaftsprojekt mit dem langjährigen Partner des Unternehmens im Bereich der FEM-Simulation, der CADFEM GmbH, wurde die Handbrause PuraVida verschiedenen Aufprallszenarien ausgesetzt. Ziel war, bereits vor dem Bau erster Prototypen das Verhalten des Produktes unter extremen Belastungen, wie sie beim Aufprall entstehen, kennenzulernen und daraus gegebenenfalls Konsequenzen abzuleiten. Für Crash-Simulationen, d.h. der Abbildung hochgradig nichtlinearer, transient-dynamischer Vorgänge, empfiehlt sich grundsätzlich die Verwendung eines expliziten FE-Solvers. Bedenkt man, dass die überwältigende Mehrheit der Unternehmen, die FEM-Simulationen einsetzen, mit sogenannten impliziten FE-Programmen (für Statik, Dynamik, Schwingungen) arbeitet, ist eine solche Entscheidung vielfach mit der Anschaffung einer neuen Software verbunden. Im Falle von ANSYS Workbench zieht die Erweiterung des Simulationsspektrums keinerlei Umstellung der Berechnungsumgebung nach sich. Vielmehr kann in der gewohnten ANSYS- Bilder: Hansgrohe Umgebung das Modul ANSYS Explicit STR aktiviert werden, in dem der Anwender auf die integrierte Solvertechnologie des expliziten Codes AUTODYN Zugriff hat. ANSYS Explicit STR ist seit der Version ANSYS 12 erhältlich und verbindet Berechnungsmethoden der expliziten Zeitintegration mit den bewährten Vorteilen der Workbench: bidirektionale CAD-Schnittstellen, Direktzugriff auf Materialdaten, effiziente Vernetzungsroutinen oder Kontaktdefinitionen. Zudem ist bei Bedarf eine einfache Kopplung mit anderen Workbench-Tools möglich. Ziel der rechnerischen Analyse bei Hansgrohe war die Vorhersage des strukturmechanischen Verhaltens einer neuen Handbrause beim Aufprall auf einen starren Untergrund. Es sollten Fragen zum Deformationsverhalten der Gesamtstruktur sowie von einzelnen Schnappverbindun- 16 Infoplaner 01/2010

19 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich gen und zur Verteilung von plastischen Verzerrungen und ersten Hauptdehnungen in den Kunststoffmaterialien beantwortet werden. Aufbau der Brause Die Brause besteht aus 12 Einzelteilen, wobei die beiden äußeren Kunststoffschalen durch mehrere Schnappverbindungen miteinander verbunden sind. Auch die zwei Halbschalen der innen liegenden Wasserführung sind miteinander über Schnappverbindungen verbunden. Zusätzlich ist eine Verschraubung mit 4 Schrauben vorgesehen. Die verwendeten Werkstoffe, Kunststoff und Stahl, wurden mit geeigneten Materialmodellen abgebildet. Alle Kontaktstellen zwischen den Bauteilen wurden mit dem Standardkontakt und mit einem Bild 1: Gesamtmodell und Schnittmodell der Brause Aufprallzenarien Insgesamt wurden 3 Szenarien in Form einer transient-dynamischen, nichtlinearen Analyse unter Berücksichtigung großer Verformungen und nichtlinearer Kontakte betrachtet. Für den Falltest wurde eine Fallhöhe von 2 m angenommen, die die Erdbeschleunigung mit einbezieht. Als Anfangsgeschwindigkeit ergab sich 6.25 mm/ms aus der Umwandlung von potentieller in kinetischer Energie. Szenario 1 war ein freier Fall mit Aufprall auf eine starre Unterlage mit der Spitze der Handbrause. Ergebnis: Die mittleren Abstufungen öffnen sich zuerst, ohne dass sich die Brause an der Spitze öffnet. Szenario 2 war ein freier Fall mit Aufprall auf eine starre Unterlage mit der flachen Oberschale, in Szenario 3 erfolgte der am meisten beansprucht werden, sind bei Szenario 2 die Oberschale und die seitlichen Schnapphaken am meisten belastet. In Szenario 3 wirken die stärksten Kräfte auf den Hals in Ober- und Unterschale sowie auf die Wasserführung. Schon vor dem Bau der ersten Prototypen der Handbrause konnten sich die Entwickler von Hansgrohe vergewissern, dass das neue Modell wichtigen Stabilitäts- und Funktionskriterien entspricht. Jochen Armbruster, Leiter CAE bei Hansgrohe: Die Simulationen eröffneten die detaillierte Betrachtung des Verhaltens sensibler spritzgegossener Kunststoffbauteile. Sie gaben wichtige Anhaltspunkte für mögliche kleine konstruktive Optimierungen des Produktes im Sinne einer exzellenten Produktqualität. i Information Ansprechpartner ANSYS Explicit Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM Grafing Tel. +49 (0) ! Veranstaltungshinweise 1 Kostenfreier Informationstag ANSYS Strukturmechanik 29. April 2010 in Nürnberg 05. Mai 2010 in Hamburg 18. Mai 2010 in Stuttgart 22. Juni 2010 in Hannover 30. Juni 2010 in Hanau 09. September 2010 in Dortmund 3 Details, weitere Termine, Anmeldung Bild 2: Verschiedene Aufprallszenarien Seminar Einführung in die explizite Strukturmechanik mit ANSYS Explicit STR Standardreibwert definiert. Stoffschlüssige Verbindungen zwischen Weichkomponente/Strahlscheibe sowie Verteiler/Verteilerdeckel wurden mit einem Verbundkontakt definiert und angenommen, dass kein Klaffen zwischen den Bauteilpaaren auftreten kann. Aufprall mit der Unterschale mit einem Neigungswinkel von 10. Erwartungsgemäß liegt die maximale Beanspruchung in Abhängigkeit von der Aufprallposition an verschiedenen Stellen. Während im Szenario 1 die Spitze der Ober- und Unterschale sowie die vorderen Schnapphaken Juni 2010 in Wien Juli 2010 in Grafing b. München Oktober 2010 in Aadorf (CH) November 2010 in Dortmund Details, Kosten, Anmeldung Infoplaner 01/

20 Themenschwerpunkt: Simulation im Konsumgüterbereich Effizienzverbesserung von Staubsaugergebläsen Die Strömungssimulation mit ANSYS CFX ist integraler Bestandteil von Leistungsuntersuchungen an Radialgebläsen. Die richtige Adresse, wenn es um Strömungssimulation geht So merkwürdig es klingt: Staubsaugergebläse gehören zur Gattung der Turbomaschinen. Auf deren Erforschung und Entwicklung hat sich eine Forschungsgruppe am LSTM-Erlangen spezialisiert. Das Feld reicht dabei vom Rotor einer Windkraftanlage mit 130 Metern Durchmesser bis hin zu Herzpumpen mit gerade einmal 15 Millimetern Durchmesser. Das ganz besondere Interesse der Gruppe gilt der Untersuchung und Optimierung von Radialgebläsen, zu denen auch die mit bis U/min rotierenden Staubsaugergebläse gehören. Für ihre Arbeit können die Wissenschaftler insgesamt sind am LSTM-Erlangen 65 Mitarbeiter beschäftigt auf neueste Verfahren und Methoden sowie modernste Ausrüstung zurückgreifen. So haben sie Zugriff auf die Ressourcen des regionalen Rechenzentrums Erlangen (RRZE) und das dort installierte Woodcrest-Cluster. Das an Position 329 der Top500-Liste geführt Rechnernetz besteht aus 217 Compute Nodes mit je zwei Xeon 5160 Woodcrest Chips (4 Kerne) und verfügt über einen NFS File Server mit einer Kapazität von 15 TB. Bild 1: Stromlinien der Durchströmung eines Staubsaugergebläses mit den Komponenten (von oben nach unten): Laufrad, Diffusor, Umlenkkanal und Rückführgitter, Elektromotor, Motorgehäuse (grau). Bilder: ANSYS Germany Wenn der Staubsauger nur heiße Luft produziert anstatt den Staub vom Wohnzimmerboden aufzusaugen, dann kann es um die aerodynamische Effizienz des lärmenden Haushaltsgehilfen nicht besonders gut bestellt sein. Wie groß der vom eingebauten Radialgebläse geförderte Luftstrom und der erzeugte Unterdruck ist beides Parameter für die Saugleistung hängt von der aerodynamischen Auslegung des Gesamtsystems aus Gebläserad, Diffusor und Umlenkschaufeln ab. Seit einiger Zeit befasst man sich am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) der Universität Erlangen intensiv mit Untersuchung und Optimierung von Radialgebläsen in Staubsaugern. Zentrales Werkzeug ist dabei die Strömungssimulation mit dem CFD-Programm (Computational Fluid Dynamics) ANSYS CFX. Bild 2: Stromlinien der Strömung durch ein Radialrad (blau) mit Spiralgehäuse (transparent). Prozessintegration wird groß geschrieben ANSYS CFX wird am LSTM bereits seit Jahren erfolgreich für die numerische Strömungssimulation eingesetzt. Auf der Basis von Geometrien aus dem CAD-Programm Pro/ENGINEER erfolgt die Generierung der Simulationsmodelle mit ANSYS ICEM CFD, das neben Werkzeugen für die schnelle Netzgenerierung komplexer Geometrien alle für die Berechnung rotierender Maschinen benötigten Multiple Frame of Reference-Werkzeuge enthält. Netzgenerator und CFD-Programm sind in die ANSYS Workbench eingebunden. Unter einer einheitlichen Bedienoberfläche können hier unterschiedliche Applikationen (z.b. FEM, CFD, CEM) genutzt werden, wodurch das Programm prädestiniert ist für die Bearbeitung multi-disziplinärer Aufgabenstellungen. So werden beispielsweise mittels der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) an den Rotorblättern von Windkraftanlagen die Wechselwirkungen zwischen Luft- 18 Infoplaner 01/2010

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