Innovation durch Simulation komplexer physikalischer Bedingungen

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1 W H I T E P A P E R Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte Übersicht Unternehmen, die in dem von Wettbewerbsdruck geprägten wirtschaftlichen Umfeld unserer Zeit erfolgreiche, innovative Produkte entwickeln möchten, benötigen leistungsfähige Simulationswerkzeuge. Durch Simulation lassen sich schon frühzeitig die vielfältigen physikalischen Leistungscharakteristika einer Konstruktion analysieren, ohne dass dafür ein Prototyp angefertigt werden muss. Dies kann sich in einer deutlichen Steigerung der Produktivität niederschlagen. Robuste Simulationswerkzeuge helfen, die hohen zeitlichen, finanziellen und qualitativen Herausforderungen zu bewältigen, denen Fertigungsunternehmen ausgesetzt sind. Mit SolidWorks Simulation steht eine leistungsfähige Simulationssoftware für die Lösung komplexer Analyseprobleme zur Verfügung, die Ihnen dabei hilft, schneller und kostengünstiger bessere, innovativere Produkte zu entwickeln.

2 Innovation durch Simulation komplexer physikalischer Bedingungen Innovativ. Zuverlässig. Effizient. Dies sind nicht nur die Merkmale erfolgreicher Produktentwürfe, sondern auch die der Unternehmen, von denen diese Entwürfe stammen. Für die Entwicklung von Produkten, die diese Attribute verdienen, werden möglichst frühzeitig im Prozess umfangreiche Informationen benötigt, wie sich die Konstruktion unter Praxisbedingungen bewähren wird. Die Zeiten, in denen Hersteller alle Zeit der Welt hatten, langwierige physikalische Tests durchzuführen, um das Verhalten des Entwurfs kennenzulernen, sind endgültig vorbei. Die schnelle Einführung innovativer, zuverlässiger Produkte lässt sich nur mit Simulationstechnologie bewerkstelligen. Hinzu kommt, dass nicht jedes Simulationspaket wirklich geeignet ist. In vielen Fällen werden leistungsfähige nichtlineare, Dynamik-, Strömungs- und Multiphysik- Analysefunktionen benötigt, wie sie z. B. in SolidWorks Simulation geboten werden, um komplexe physikalische Verhaltensweisen simulieren zu können. Durch die Simulation komplexer physikalischer Bedingungen, die sich auf Ihre Konstruktionen auswirken, erhalten Sie wichtige Informationen für Ihre Konstruktionsentscheidungen. Mit SolidWorks Simulation wird die Durchführung dieser komplexen Analysen vereinfacht, Sie erhalten Ihre Informationen schneller, und Sie müssen nicht erst ein Universitätsstudium absolvieren, um diese Informationen gewinnen zu können. SolidWorks Simulation ist bei vielen erfolgreichen Fertigungsunternehmen in der ganzen Welt im Einsatz, da die Software die einfache und direkte Simulation komplexer physikalischer Bedingungen ermöglicht. Aufbauend auf den Erfahrungen als Pionier in den Bereichen Benutzeroberflächengestaltung, leistungsfähige Solver-Technologie und Werkzeuge für die Ergebnisvisualisierung stellt DS SolidWorks eine innovative Simulationsplattform zur Verfügung, die bei der Lösung schwieriger Analyseprobleme hilft. SolidWorks Simulation bedient sich der Möglichkeiten, die moderne Mehrkern- und Mehrprozessorcomputer bieten, um Ihre Konstruktionsprobleme effizient und kostengünstig zu lösen. Thermische Multiphysikanalysen können dabei helfen, die Leistungsfähigkeit des Produkts sicherzustellen. SolidWorks Simulation stellt akkurate, effiziente Lösungen für schwierige Analyseprobleme bereit, hilft, die Markteinführungszeit zu beschleunigen, optimiert die Materialnutzung, minimiert Ungewissheiten, eliminiert Fehler, baut Rücksendungen/Garantieansprüchen vor und ermöglicht eine höhere Rentabilität. Vor allem aber kann die Simulation komplexer physikalischer Bedingungen dazu beitragen, Innovationen voranzubringen, indem sie Ihnen Informationen zu Ihren Entwürfen liefert, zu denen Sie sonst keinen Zugang hätten. SolidWorks Simulation hilft, die Zusammenarbeit innerhalb des Konstruktionsteams zu stärken, die berufliche Entwicklung der Teammitglieder zu fördern und Innovationen voranzubringen Die Software unterstützt Sie bei der Schaffung einer innovativen, zuverlässigen und effizienten Arbeitsumgebung, die für hochqualifizierte und fähige Konstrukteure attraktiv ist und in der sie gefordert und gefördert werden. Die Welt ist nichtlinear und dynamisch Für eine akkurate Simulation des strukturellen Verhaltens Ihrer Entwürfe benötigen Sie leistungsfähige weiterführende Analysefunktionen, wie sie z. B. SolidWorks Simulation bietet. Die physikalische Welt, in der Sie Produkte entwickeln und konstruieren, ist weder eine ebene noch eine lineare Welt, in der sich das strukturelle Verhalten immer proportional zu den wirkenden Lasten verhält. Die reale Welt ist dreidimensional, nichtlinear und dynamisch. Mit der Simulationstechnologie können Sie die komplexen Phänomene des physischen Universums anhand computergestützter, mathematischer Modelle nachstellen. Um Annäherungen zu erhalten, die der Realität möglichst nahe kommen, benötigen Sie die Leistungsfähigkeit weiterführender Funktionen für die nichtlineare Analyse und die Dynamikanalyse, wie sie von SolidWorks Simulation geboten werden. Mit linearen Analysewerkzeugen lässt sich nur ein grober Überblick über die Leistungsfähigkeit einer Konstruktion gewinnen, der bei einfachen Konzepten ausreichen mag. Für innovative Produktentwürfe mit immer komplexeren Analyseproblemen ist jedoch eine nichtlineare Analyse erforderlich, um die Leistungsfähigkeit exakt einschätzen zu können. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 2

3 Anwendungsfälle der nichtlinearen Analyse Probleme der nichtlinearen Strukturanalyse lassen sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen: nichtlineare Materialien, nichtlineare Geometrien und nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Teilen. Es kann natürlich passieren, dass eine Simulationsaufgabe alle drei Kategorien umfasst. Dies wäre z. B. der Fall, wenn Sie ein hyperelastisches Material, beispielsweise ein Elastomer, in einer Form verwenden, die sowohl strukturelle Nichtlinearitäten (das Verhalten variiert unproportional zu den wirkenden Kräften) als auch geometrische Nichtlinearitäten (Verschiebungen ändern die Steifigkeit der Struktur) aufweist. Die praktischen Einsatzmöglichkeiten für nichtlineare Materialanalysen sind mannigfaltig. In einer nichtlinearen Analyse einer Komponente kann eine bestimmte Fließgrenze als Versagenskriterium für das Material festgelegt werden, während bei der linearen Analyse nur angegeben werden kann, dass ein Materialfluss an sich zum Versagen führt. Es empfiehlt sich möglicherweise auch, verschiedene Versagensarten, wie Beulen, Durchschlagen, Ölkannen-Effekte oder große Verschiebungen, zu prüfen. Viele moderne Materialien, wie Kunststoff, Synthetik und Verbundwerkstoffe, verfügen über einzigartige Eigenschaften und zeigen ein komplexes Lastreaktionsverhalten, das nur mittels einer nichtlinearen Analyse zu erfassen ist. Immer mehr Produkte, wie z. B. medizinische Stents oder Kunststoffklemmen, werden so konstruiert, dass sie sich deformieren und dehnen können, ohne zu versagen ein Verhalten, das nur durch eine Kombination aus nichtlinearer Material- und nichtlinearer Geometrieanalyse zu verstehen ist. Bei der Simulation von Konstruktionen muss die Möglichkeit berücksichtigt werden, dass ein in der Hand gehaltenes Gerät fallen gelassen werden könnte. Wenn Sie mit nichtlinearen Materialien in einer flexiblen Struktur zu tun haben, müssen Sie die Analyse großer Verschiebungen mit der nichtlinearen Materialanalyse kombinieren. Bei diesen Simulationen ist es wichtig zu berücksichtigen, dass es bei Verformungen am Teil zu einem als Spannungsversteifung bekannten Phänomen kommen kann. Durch die Spannungsversteifung kann die Steifigkeit der Komponenten entweder zu- oder abnehmen, je nachdem welche Lasten wirken und wie die Geometrie der Komponente aussieht. Zuweilen wie im Fall der Membraneffekte führt eine relativ kleine Formänderung zu einer beträchtlichen Veränderung bei der Steifigkeit. Für eine akkurate Simulation komplexer struktureller Verhaltensweisen wie nichtlinearer Materialien, nichtlinearer Geometrien, großer Verschiebungen und Spannungsversteifungen benötigen Sie die leistungsfähigen Funktionen von SolidWorks Simulation. Nichtlineare Lasten und Randbedingungen Auch wenn sich der Begriff nichtlinear in erster Linie auf das Wesen der physikalischen Verhaltensweise einer Konstruktion bezieht, können auch die Lasten und Randbedingungen, die nichtlineare Verhaltensweisen hervorrufen, von ihrem Wesen her nichtlinear bzw. dynamisch sein. Wenn die wirkende Last eine Funktion der Zeit ist, während es sich beim Materialverhalten um eine Funktion der Verschiebung oder Temperatur handelt, lassen sich die Verhaltensweisen einer Konstruktion nur schwer theoretisch voraussagen, aber sehr einfach mit SolidWorks Simulation simulieren. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 3

4 Zur Vorhersage der Auswirkungen von Lasten, die sich mit der Zeit ändern, und anderer lastbedingter Effekte, wie Dämpfung und Trägheit, die bei Lastwechseln auftreten können, plötzlich wirkender Kräfte oder wiederkehrender Lasten stehen Funktionen für die Dynamikanalyse zur Verfügung. Die Auswirkungen von Temperaturschwankungen können anhand transienter thermischer Analysen ermittelt werden. Solche Analysen werden benötigt, um zu prüfen, wie sich die Konstruktion verhält, wenn es wiederkehrende Aufheizungsund Abkühlphasen gibt. Viele Materialien besitzen temperaturabhängige Materialeigenschaften, und Temperaturänderungen können beträchtliche Auswirkungen auf die strukturelle Reaktion einer Konstruktion bei Betriebslasten haben. Lasten und Randbedingungen können auch nichtlinear und dynamisch sein. Mit SolidWorks Simulation lassen sich die Auswirkungen zeitabhängiger Lasten und anderer lastbedingter Effekte, wie Dämpfung, Trägheit und temperaturabhängige Materialeigenschaften, prognostizieren. Weiterführende Dynamiksimulation Strukturen können unter einwirkenden Lasten nicht nur deformieren, knicken/beulen, fließen und ermüden. Strukturen können auch ins Schwingen geraten, wobei die Art dieser Schwingungen von recht absehbar bis hin zu kaum vorhersagbar reichen kann. Die Schwingungen können als Ergebnis einer Kopplung von Last und Trägheit vergrößert oder durch periodische Kräfte aufgrund von Resonanz verstärkt werden. Dank der weiterführenden Dynamikanalysefunktionen von SolidWorks Simulation lassen sich auftretende Probleme im Zusammenhang mit Schwingungen lösen. Folgende Analysemethoden stehen zur Verfügung: Modalanalyse, modale Zeitverlaufsanalyse (Transient), harmonische Analyse (Frequenzverhalten), zufällige Vibration (Random Vibration) und Fallprüfungsanalyse. Jeder, der sich mit der Konstruktion von Mechanismen oder Maschinen mit beweglichen Teilen beschäftigt, weiß, wie wichtig es ist, die natürlichen Frequenzen eines Teils oder einer Baugruppe und die mit diesen Frequenzen zusammenhängenden Schwingungsformen zu kennen. Diese Dynamikinformationen sind für die Eindämmung von Schwingungen und die Entwicklung funktionierender Konstruktionen von entscheidender Bedeutung. Die Charakteristika erzwungener Schwingungen Ihrer Konstruktionen müssen aber auch in den Fällen untersucht werden, in denen Reaktionen in einer oder mehreren Komponenten durch zeitabhängige Lasten hervorgerufen werden. Es kann vorkommen, dass ein Dynamikproblem mit einer Last zu tun hat, die nicht eine Funktion der Zeit, sondern eine Funktion der Frequenz ist. Dies wäre z. B. bei einem Rütteltisch der Fall. Eine solche Analyse wird als harmonische Analyse bezeichnet. Sie eignet sich für viele Konstruktionsarten, vor allem aber für solche, bei denen rotierende Komponenten zum Einsatz kommen. Bei Fällen, in denen die Last nicht deterministisch ist, kann eine Schwingungsanalyse nach dem Zufallsprinzip durchgeführt werden. Bei dieser Analysemethode erfolgt die Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 4

5 Lastdefinition auf wahrscheinlichkeitstheoretischer Grundlage. So lassen sich sogar Schwingungseffekte für die Lasten simulieren, die durch ein Erdbeben ausgelöst werden. SolidWorks Simulation stellt benutzerfreundliche Funktionen für die Falltestanalyse zur Verfügung, die Einblicke in die Belastungen geben, die entstehen, wenn die Konstruktion aus einer festgelegten Höhe auf eine flache Oberfläche fallen gelassen wird. Modalanalysen, modale Zeitverlaufsanalysen, harmonische Analysen, Schwingungsanalysen nach dem Zufallsprinzip und Falltestanalysen mit SolidWorks Simulation helfen Ihnen, die Dynamik Ihrer Konstruktionen besser zu verstehen. Außerdem lassen sich so die Schwingungsprobleme bei Maschinenkonstruktionen und bei Konstruktionen besser in den Griff bekommen, die beim Versand oder Transport Schwingungslasten ausgesetzt sind. Mit SolidWorks Simulation Premium konnten wir Struktur- und Ermüdungsanalysen durchführen, um unsere Konstruktions- und Materialauswahl zu optimieren. Diese Informationen halfen uns, die Kosten im Griff zu halten, die Qualität sicherzustellen und im Zeitplan zu bleiben. Christopher Narveson Design and Engineering Services Manager Cardiovascular Systems, Inc. Dank der weiterführenden Dynamikanalysefunktionen von SolidWorks Simulation lassen sich auftretende Probleme im Zusammenhang mit Schwingungen lösen. Folgende Analysemethoden stehen zur Verfügung: Modalanalyse, modale Zeitverlaufsanalyse (Transient), harmonische Analyse (Frequenzverhalten), Schwingungsanalyse nach dem Zufallsprinzip und Falltestanalyse. Nichtlineare und Dynamiksimulationen zur Optimierung von Radarsystemen Reutech Radar Systems, ein weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet der Entwicklung von Radartechnik, verwendet SolidWorks Simulation, um komplexe nichtlineare Strukturprobleme zu lösen und weiterführende Dynamikanalysen durchzuführen. Die Radaranlagen des Unternehmens werden zu Lande, auf Flugzeugen und auf Schiffen montiert und müssen vielfältigsten Lasten, wie Wind, Temperatur, Durchbiegung, seismische Schwingungen, Gewicht und Bewegung, standhalten. Wir müssen sicherstellen, dass unsere Produkte sowohl bei extremer Kälte von 40 C als auch unter Wüstenbedingungen mit Temperaturen bis zu 55 C funktionieren und den strukturellen Belastungen durch schwere Stürme und Erdbewegungen standhalten, erläutert Carel Kriek, Chief Mechanical Engineer des Unternehmens. Kosteneffektiv und zeitsparend ist dies nur zu machen, wenn wir das physische Verhalten bereits vorhersagen können, bevor wir mit dem Bau der Komponenten beginnen. Wir optimieren die Konstruktion durch Simulation und nicht durch den Bau eines Prototyps nach dem anderen. So können wir ein genaueres und hochwertigeres Produkt herstellen, hebt Kriek hervor. Durch die Simulation konnten wir das Gewicht bestimmter Komponenten um die Hälfte verringern, denn wir können genau simulieren, wie sich durch Änderungen an der Geometrie eine 25-kg-Komponente so produzieren lässt, dass sie dieselbe Festigkeit und Steifigkeit wie ein 60-kg-Teil aufweist. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 5

6 Die nichtlineare dynamische Analyse hilft uns, das Verhalten von Baugruppen vorherzusagen, die nichtlineare Materialien enthalten, fügt Kriek hinzu. Wir können sogar die Radargenauigkeit bei windinduzierter Durchbiegung, ungleichmäßiger Sonnenbestrahlung der Radaranlage und Seegang prognostizieren. Die Möglichkeit, all diese verschiedenen Analysen durchführen zu können, ist ein gigantischer Vorteil. Weiterführende nichtlineare, Dynamik- und Strömungsanalysen helfen den Ingenieuren von Reutech Radar Systems, die Auswirkungen von Wind auf ihre Radaranlagen, wie den Effekt der windinduzierten Durchbiegung, zu verstehen. CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) Während die strukturelle Simulation weiterhin den Löwenanteil bei den Analysen einnimmt, wird immer mehr auch nach Möglichkeiten gesucht, das Verhalten und die Dynamik von Fluiden Flüssigkeiten oder Gasen verstehen zu können, um die Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit von Konstruktionen zu ermitteln. CFD-Software, also Software, die sich mit der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) beschäftigt, wurde anfänglich in erster Linie für die Analyse der Aerodynamik von Flug- und Fahrzeugen eingesetzt, um teure Windkanaltests zu vermeiden. Inzwischen wird diese Technologie verstärkt auch zur Einschätzung anderer Probleme im Zusammenhang mit dem Strömungsverhalten verwendet, wie Kühlung, Heizung, Lüftung sowie strömungsbasierte Fertigungs- und Rohrleitungsprozesse. Mit SolidWorks Flow Simulation können Sie die physikalischen Eigenschaften der Strömung praktisch aller Fluide, gleich ob Newtonsche oder nicht- Newtonsche, simulieren und so die Geschwindigkeiten, Drücke, Durchflussraten und Temperaturen für Flüssigkeiten und Gase berechnen, die Ihre Konstruktion oder Ihren Prozess beeinflussen. Einige Fluide verfügen über Materialeigenschaften, die durch konstante Viskosität charakterisiert sind und als Newtonsche Fluide bezeichnet werden. Viele Arten von Fluiden, wie Polymere, Blut, Ketchup, Malerfarbe, Shampoo und Kunststoffschmelze, weisen eine nichtlineare bzw. zeitabhängige Beziehung auf und lassen sich nicht mit einer einzigen Viskositätskonstante beschreiben. Diese Fluide werden als nicht- Newtonsche Fluide bezeichnet. SolidWorks Flow Simulation ermöglicht eine Analyse des Strömungsverhaltens von Flüssigkeiten und Gasen einschließlich von Gasen, die mit hoher Geschwindigkeit strömen, und Fluiden, die mit hohem Druck strömen. Anhand der Informationen dazu, wie sich Konstruktionsänderungen auf das Strömungsverhalten auswirken und welche Änderungen beim Strömungsverhalten das Verhalten der Konstruktion beeinflussen, können Sie die Strömung optimieren und so potenzielle Probleme beim fertigen Produkt vermeiden. Die Strömungssimulation kann dazu beitragen, Entwürfe so zu überarbeiten, dass Turbulenzen und Druckabfälle vermieden werden. Auf diese Weise wird die Effizienz interner Strömungen erhöht. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 6

7 Verbesserte Aerodynamik Wer das Wort Aerodynamik hört (man kann auch Fluideffizienz dazu sagen), denkt meist an schnittige Rennautos, Flugzeuge oder Motorboote. Und natürlich gehört die Reduzierung von Luftwiderständen zur Tempoerhöhung bei Fahrzeugen oder die strategische Nutzung von Luftwiderständen zur Erzeugung von Auftrieb bei Flugzeugen zu den wichtigsten Einsatzgebieten der Strömungsanalyse. Mit SolidWorks Flow Simulation lassen sich alle Erkenntnisse, die durch teure Windkanaltests gewonnen werden können, einfach mittels Software ermitteln. Und dennoch beinhaltet die Fluidmechanik wesentlich mehr als die aerodynamischen Wechselwirkungen der Bewegung eines Objekts durch ein Fluid. Sie kommt auch bei der Betrachtung der internen Strömung von Luft durch ein Objekt, wie z. B. des Luftstroms durch ein Klimaanlagenrohr, zum Einsatz. Gleich also, ob Sie dabei sind, eine Form zu erstellen, die sich durch die Luft bewegen soll, oder eine Geometrie definieren möchten, die interne Fluidströmungen verbessert SolidWorks Flow Simulation hilft Ihnen, Ihre Konstruktion effizienter zu gestalten. Mit SolidWorks Flow Simulation können Sie feststellen, ob Sie es mit einer laminaren oder einer turbulenten Strömung zu tun haben und an welchen Stellen Wirbel auftreten. Diese Informationen können dann genutzt werden, um den Entwurf abzuändern und derartige Strömungsphänomene, die das aerodynamische Verhalten beeinträchtigen können, zu unterbinden. Strömungstrajektorien, Schnittdarstellungen und Werkzeuge für die Oberflächendarstellung ermöglichen es Ihnen, die Merkmale komplexer Strömungen zu visualisieren. SolidWorks Flow Simulation bietet leistungsfähige Visualisierungswerkzeuge, wie z. B. die hier gezeigten Ergebnisse einer Strömungstrajektorie, anhand derer sich die Charakteristika komplexer Fluidströmungen studieren lassen. Wärmemanagement Eines der wachsenden Einsatzgebiete für die Fluidströmungssimulation ist die Untersuchung, wie die Strömung die Temperatur der Komponenten einer Konstruktion beeinflusst. Da bei vielen Heiz- und Kühlsystemen Fluide die Aufgabe übernehmen, die Wärme zu transportieren bzw. abzuleiten, kann Software zur Strömungssimulation dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit solcher Systeme zu untersuchen und zu bewerten. SolidWorks Flow Simulation kann zur Analyse der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten, z. B. bei Boilern und Radiatoren, und Gasen, wie bei Warmluftheizungen und Kaltluftkühlsystemen, verwendet werden, und Sie können auch den Einfluss der Sonneneinstrahlung auf die Temperatur Ihrer Konstruktion simulieren. SolidWorks Flow Simulation ermöglicht die Ermittlung der optimalen Ein- und Auslassbedingungen für konkrete Konstruktionsziele, wie Kraft, Druckabfall, Geschwindigkeit und Temperatur. Sie können sich ansehen, wie sich das Fluid durch Ihr System bewegt, und dabei die Auswirkungen von Propellern, Lüftern und Leitungsrohren auf die Strömungscharakteristika studieren. Sogar die Simulation von Situationen mit mehreren Fluiden ist möglich. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 7

8 Das rasante Wachstum bei der Entwicklung von Produkten und Apparaten mit elektronischen Komponenten erweist sich als ideales Szenario für den Einsatz der Fluidströmungstechnologie zur Untersuchung der Effektivität von Kühlsystemen. Mit SolidWorks Flow Simulation können Sie feststellen, wie sich die Luftströmung in Strömungssystemen (Gebläse) auf wärmeproduzierende elektronische Bauteile auswirkt. Diese leistungsfähige Software ermöglicht es Ihnen, potenzielle Wärmelasten zu simulieren und Kühlkörperemulatoren einzufügen, um schnell zu prüfen, wie sich die Strömung oder die Konstruktion im Sinne einer effektiveren Kühlung der elektronischen Komponenten ändern lässt. Statt Zeit und Kosten für die Erstellung eines Prototyps aufzuwenden, um Heizungs- oder Kühlsysteme prüfen zu können, können Sie sich durch den Einsatz von SolidWorks Flow Simulation genaue Informationen zur Funktionsweise Ihres Systems beschaffen, um herauszufinden, wie die Leistungsfähigkeit der Konstruktion durch entsprechende Änderungen verbessert werden kann. Dies vermeidet nicht nur Ausfälle und Probleme beim praktischen Einsatz des Produkts, sondern ermöglicht gleichzeitig auch Einsparungen bei den Entwicklungskosten. Die Verfügbarkeit von Informationen zu komplexen thermischen Wechselbeanspruchungen und deren Auswirkungen auf das Strömungsverhalten und die Struktur kann dazu beitragen, dass das fertige Produkt während seiner gesamten Einsatzzeit ordnungsgemäß und zuverlässig funktioniert. Analyse strömungsbasierter Systeme und Prozesse Das Strömungsverhalten von Fluiden beeinflusst nicht nur die Leistung herkömmlicher Produkte, sondern kann sich auch auf die Entwicklung von Systemen auswirken, die für den Transport von mitunter gefährlichen Fluiden unter Druck bestimmt sind. Aber auch Fertigungsprozesse, bei denen Materialien in einem geschmolzenen oder verflüssigten Zustand vorliegen, können betroffen sein. SolidWorks Flow Simulation stellt Ihnen umfassende Informationen dazu bereit, wie Ihre strömungsbasierten Systeme und Fertigungsprozesse funktionieren, sodass Sie Ihre Entwürfe entsprechend optimieren können. So gibt es jederzeit, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas unter Druck transportiert oder gepumpt wird, eine Vielzahl von Komponenten und Baugruppen, die vom Strömungsverhalten beeinflusst werden von Pumpen, Ventilen und Reglern bis hin zu Rohrsträngen. Bei einigen dieser Systeme kann sich die Temperatur als wichtige Variable erweisen. Bei anderen dagegen, vor allem jenen, die ätzende oder gefährliche Stoffe transportieren, steht der Erhalt der Systemintegrität und die Verhinderung von Lecks und Freisetzungen im Vordergrund. Ganz gleich, um was für eine Art von Fluid es sich handelt oder wie es verarbeitet wird SolidWorks Flow Simulation kann Ihnen bei der Ermittlung der physikalischen Merkmale des Systems sowie der Funktionsweise seiner einzelnen Komponenten wertvolle Dienste erweisen. Dabei werden auch komplexe Effekte, wie die Porosität, Kavitation und Luftfeuchtigkeit, berücksichtigt, und Sie können das Verhalten der in der Strömung schwebenden Partikel verfolgen. Diese Informationen ermöglichen es Ihnen, sich potenziellen Problembereichen zuzuwenden und überdimensionierte Komponenten zu überarbeiten. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 8

9 Umgekehrt lässt sich untersuchen, welche Auswirkungen das Strömungsverhalten auf die Leistungsfähigkeit hat, wenn der Fertigungsprozess den Umgang mit einem Fluidmaterial beinhaltet. Sie können beobachten, wie Sie durch Änderungen bei der Konstruktion der Fertigungsausrüstung in die Lage versetzt werden, die Temperatur, den Druck, die Geschwindigkeit und das Volumen zu beeinflussen. Mit SolidWorks Flow Simulation steht Ihnen ein virtuelles Fluiddynamik-Testlabor zur Verfügung, mit dem Sie das Strömungsverhalten effizient und kostengünstig simulieren und verbessern können. Mithilfe der integrierten (SolidWorks Software) FEM-Funktionen (Finite Elemente Methode) können wir ausschließen, dass unsere Komponenten versagen. Und wir sparen die Materialkosten, die entstehen würden, wenn wir Teile größer oder schwerer machen müssten, um das Ausfallrisiko zu minimieren. David Fulmer Vice President of Engineering SawStop, LLC SolidWorks Flow Simulation ermöglicht es, jeden Fertigungsprozess zu simulieren und zu verbessern, bei dem Fluide eine Rolle spielen. Diese leistungsfähige Software bietet die Möglichkeit zu beobachten, wie Sie durch Änderungen bei der Konstruktion der Fertigungsausrüstung in die Lage versetzt werden, die Temperatur, den Druck, die Geschwindigkeit und das Volumen zu beeinflussen und zu optimieren. Strömungsphysikalische/thermische Analyse zur Fertigungsoptimierung Das Unternehmen World Kitchen LLC, das viele bekannte Marken in den Bereichen Geschirr, Kochtöpfe, Pfannen, Besteck und Haushaltsgeräte unter seinem Dach vereint, hat mithilfe von SolidWorks Flow Simulation die Produktion von Backformen der Marke Pyrex optimiert und rationalisiert. Bei der Herstellung dieser Produkte kommt das Thermoformverfahren zum Einsatz, bei dem geschmolzenes Glas bei einer Temperatur von 1150 ºC durch eine Reihe von Krümmer fließt, um am Ende in eine Form zu fallen, in der es dann zu verschiedenen Backformen gepresst wird. Wenn die Formmaschinen zu kühl sind, sieht das Glas faltig aus. Sind die Formmaschinen zu warm, verschmilzt das Glas mit dem Metall, sodass es nicht mehr aus der Form geholt werden kann, erläutert Mark Cooley, Senior Mold Designer, das Problem. Daher ist das akkurate Strömen des Wassers und der Kühlung so wichtig. Wenn diese thermische Balance erreicht ist, entsteht hochwertiges Glas, ohne dass die Metallformen, die wir in der Fertigung verwenden, mit dem Glas verschmelzen. Durch komplexe strömungsphysikalische/thermische Simulationen mit SolidWorks Flow Simulation gelang es World Kitchen, die eigenen Maschinen so einzurichten, dass die gewünschte thermische Balance schneller erreicht wurde. So konnten 40 % der Konstruktionszeit und US-Dollar an Entwicklungskosten gespart werden. SolidWorks Flow Simulation versetzt uns in die Lage, schon vorab zu kalte und zu warme Punkte ausfindig zu machen, betont Cooley. Dank SolidWorks Flow Simulation können wir hoch erhitzbare Komponenten und Qualitätsprodukte entwickeln, die weder thermische Probleme noch Ausfallzeiten oder zusätzliche Kosten verursachen. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 9

10 World Kitchen hat die komplexen thermischen Eigenschaften und das Strömungsverhalten seiner Thermoform-Fertigungsprozesse mit geschmolzenem Glas mithilfe von SolidWorks Flow Simulation simuliert. Dank dieser Simulationen konnte das Unternehmen schneller und kostengünstiger die optimale thermische Balance für seine Fertigungsprozesse ermitteln. Simulation realer Bedingungen erfordert Multiphysikanalyse Während bei einem großen Teil der Simulationsprobleme nur eine bestimmte Art physikalischer Phänomene betrachtet wird, wie z. B. bei der nichtlinearen Strukturanalyse, der Dynamikanalyse, der Fluiddynamikanalyse und der thermischen Analyse, gibt es viele Situationen, die eine kombinierte multiphysikalische Herangehensweise erfordern. Zu den multiphysikalischen Simulationen gehören z. B. die thermische Spannungsanalyse bzw. thermomechanische Analyse (thermisch/strukturmechanisch), die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Fluid und Struktur (strömungsphysikalisch/ strukturmechanisch), die Analyse des Strömungsverhaltens mit Wärmeübertragung (strömungsphysikalisch/thermisch) und die Analyse der Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur mit Wärmeübertragung (strömungsphysikalisch/thermisch/strukturmechanisch). Mit der Kombination aus SolidWorks Simulation und SolidWorks Flow Simulation steht Ihnen ein leistungsfähiges, integriertes Paket für die Analyse vieler möglicher Kombinationen physikalischer Phänomene zur Verfügung, mit denen Sie wertvolle Informationen über die Art und Weise erhalten, wie sich verschiedene physikalische Phänomene auf die Funktionsweise und Leistungsfähigkeit Ihrer Konstruktionen auswirken. Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf Strukturen Die meisten Produkte werden nicht in Umgebungen eingesetzt, in denen die Temperatur immer gleich bleibt. Viele Produkte müssen sogar Aufheizungsund Abkühlungszyklen überstehen, die sich auf die mechanische Integrität und Reaktionsfähigkeit der Struktur auswirken können. SolidWorks Simulation kann Ihnen bei der Analyse der Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Leistungsfähigkeit Ihrer Strukturen helfen. So kann beispielsweise in einigen Fällen die Temperaturverteilung innerhalb einer Struktur Einfluss auf die Art und Weise nehmen, wie sich die Konstruktion verformt. Andererseits kann eine Strukturverformung auch die Art und Weise beeinflussen, wie sich die Wärme in der Struktur ausbreitet. Manchmal spielt sich diese Wechselwirkung nur in einer Richtung ab: Die strukturelle Reaktion verändert das Wärmeverhalten oder thermische Reaktionen beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Struktur. Es kann jedoch auch passieren, dass es zu bidirektionalen Wechselwirkungen kommt, bei denen jede Art der physikalischen Reaktion die jeweils andere beeinflusst. Dies ist ein interaktiver Prozess, für dessen korrekte Simulation eine nichtlineare thermische/strukturmechanische Analyse herangezogen werden muss. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 10

11 Mit den Simulationswerkzeugen von SolidWorks sind wir nicht nur in der Lage, die Auswirkungen von Beanspruchung, Strömung und Temperatur auf unsere Konstruktionen zu untersuchen, sondern auch einen angemessenen Sicherheitsfaktor zu gewährleisten. António Caroço Director of Information Systems and Best Practices Martifer Group Die Multiphysikanalyse mit SolidWorks Simulation ermöglicht es Ihnen, die kombinierten Auswirkungen verschiedener Arten von physikalischen Phänomenen zu untersuchen, wie beispielsweise die Wechselwirkung zwischen strukturmechanischen und thermischen Effekten. Mitunter müssen nicht nur die Wechselwirkungen zweier Arten von physikalischen Phänomenen untersucht werden, sondern auch dreifache Wechselwirkungen zwischen physikalischen Phänomenen. Die Kombination aus SolidWorks Simulation und SolidWorks Flow Simulation ermöglicht die Lösung von Konstruktionsproblemen, die eine Multiphysikanalyse unter Berücksichtigung des Wärme-, Strömungs- und Strukturverhaltens erforderlich machen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn Sie ein System konstruieren, bei dem die Fluidströmung zu einer Temperaturänderung führt, wobei die Änderungen bei der Wärmeübertragung strukturelle Verformungen verursachen und die Verformungen eine Änderung der die Strömung beeinflussenden Randbedingungen zum Ergebnis haben, wodurch sich das Wesen der Strömung ändert, was wiederum Auswirkungen auf die Temperatur hat. So beginnt der Kreislauf der miteinander in Wechselwirkung stehenden physikalischen Reaktionen von vorn. Dies ist ein klassisches Multiphysikanalyse-Problem mit thermischen, strömungsphysikalischen und strukturmechanischen Aspekten. Auch wenn nicht alle Konstruktionsaufgaben eine dreiteilige multiphysikalische Simulation mit thermischen, strömungsphysikalischen und strukturmechanischen Aspekten erfordern, ist der Anteil solcher Aufgaben gar nicht so klein. Mit SolidWorks Simulation erhalten Sie eine leistungsfähige Software, die alle Ihre Anforderungen an die nichtlineare Struktur-, Dynamik-, Strömungs- und thermische Analyse erfüllt und Multiphysikanalysen ermöglicht. Bei vielen Produkten kommen Kühl- und Heizsysteme zum Einsatz, um bestimmte Temperaturen zu gewährleisten. Mit SolidWorks Flow Simulation können Sie die Leistungsfähigkeit von Heiz-/ Kühlsystemen mittels Software ermitteln und so den zeitlichen und finanziellen Aufwand für den Bau von Prototypen reduzieren. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 11

12 Multiphysikanalyse zur Optimierung der Konstruktion eines Prozesserhitzers Gaumer Process ist ein weltweit führendes Unternehmen, das sich mit der Entwicklung von elektrischen Prozesserhitzern, Prozesssystemen und Prozesssteuerungen für die Öl- und Gasindustrie, die Lebensmittelverarbeitung, die Abwasseraufbereitung und die petrochemische Industrie beschäftigt. Das Unternehmen verwendet SolidWorks Simulation Premium und SolidWorks Flow Simulation, um die multiphysikalischen Aspekte der Konstruktion von elektrischen Prozesserhitzern zu simulieren. Durch eine Untersuchung der strukturmechanischen, thermischen und strömungsphysikalischen Merkmale der eigenen Flanschkonstruktionen mithilfe der SolidWorks Simulation Lösungen gelang es Gaumer, die Flanschdicke um 50 % zu reduzieren und so beträchtliche Einsparungen zu realisieren. Die neuen Flanschkonstruktionen funktionieren genauso gut und lassen sich material- und energiesparender produzieren. Durch die Simulation des Wärme-, Struktur- und Strömungsverhaltens im Flansch und um ihn herum wurde deutlich, dass wir Material verschwendet haben, erläutert Craig Tiras, P.E., Vice President of Engineering and Design. Seither konnten wir unsere Konstruktionen optimieren und die Materialkosten um insgesamt 75 % senken. Zusätzliche Multiphysikanalysen halfen Gaumer dabei, US-Dollar bei den Prototyping-Kosten zu sparen und Systeme zu konstruieren, die sowohl seismischen Lasten als auch Windgeschwindigkeiten von 240 km/h standhalten. Wir können die externen Windlasten in CFD sowie die Sonneneinstrahlung an extrem heißen und kalten Orten simulieren und diese Ergebnisse dann in die Strukturanalyse einbringen, um ein Ergebnis zu erzielen, das näher an der Praxis ist, betont Tiras. Statt mit Kanonen auf Spatzen zu schießen, um für alle Fälle gewappnet zu sein, können wir unsere Stützen und Haltevorrichtungen mit dünneren Materialien so konstruieren, dass sie den tatsächlichen Anforderungen der Betriebsumgebung entsprechen. Die Ingenieure bei Gaumer Process untersuchten mithilfe von SolidWorks Simulation Premium und SolidWorks Flow Simulation die strukturmechanischen, thermischen und strömungsphysikalischen Phänomene im Umfeld der Flanschkonstruktionen für die elektrischen Prozesserhitzer. Dank dieser Simulationen konnte Gaumer die Flanschdicke um 50 % reduzieren und so beträchtliche Einsparungen realisieren. Komplexe Simulationen für leistungsfähigere Produkte 12

13 Simulation komplexer realer Situationen mit SolidWorks Simulation Die Fähigkeit, vorhersagen zu können, wie sich die eigenen Konstruktionen unter Praxisbedingungen verhalten, ist für ein erfolgreiches Konstruieren immens wichtig. Zu diesem Zweck wurden und werden Prototypen gebaut. Angesichts des Konkurrenzdrucks eines globalisierten Marktes können es sich jedoch Fertigungsunternehmen heute nicht mehr leisten, viel Zeit und Geld für die Durchführung ausführlicher physikalischer Tests aufzuwenden. Daher greifen immer mehr Unternehmen auf Simulationssoftware zurück, um sich schnell und kostengünstig wertvolle Informationen zur Leistungsfähigkeit ihrer Konstruktionen zu beschaffen, mit deren Hilfe sie bessere, innovativere Produkte entwerfen und vor der Konkurrenz auf den Markt bringen können. Für eine akkurate und effektive Simulation der Komplexität physikalischer Phänomene der realen Welt und die Berücksichtigung der Auswirkungen dieser Phänomene auf Ihre Konstruktionen benötigen Sie eine leistungsfähige Analysesoftware wie SolidWorks Simulation. Gleich, ob es um die Analyse von nichtlinearen mechanischen Verhaltensweisen, die Schwingungsanalyse, die Analyse von Wärmeübertragungen, die Fluiddynamikanalyse oder die Analyse komplexer multiphysikalischer Systeme geht mit der Kombination aus SolidWorks Simulation und SolidWorks Flow Simulation lösen Sie auch Ihre schwierigsten Konstruktionsaufgaben. Viele führende Fertigungsunternehmen greifen auf SolidWorks Simulation Lösungen zurück, weil die Software die schnelle und einfache Lösung komplexer Analyseprobleme ermöglicht. Mit SolidWorks Simulation Technologie erhalten Sie schneller und kostengünstiger Antworten auf Ihre dringlichsten Konstruktionsprobleme als mit Prototypen oder anderen Analysetools. Der Zugang zu wichtigen Informationen zur Leistungsfähigkeit Ihrer Konstruktion hilft Ihnen, die Markteinführung zu beschleunigen, die Entwicklungskosten zu senken, den Materialverbrauch zu reduzieren, Konstruktionsentscheidungen zu prüfen, die Qualität zu verbessern, Rücksendungen/Garantieansprüche zu vermeiden und die Rentabilität zu erhöhen. Kurz gesagt: SolidWorks Simulation hilft Ihnen und Ihrem Unternehmen, innovativer, zuverlässiger und effizienter zu werden. In einer nichtlinearen dynamischen Welt brauchen Sie ein leistungsfähiges Simulationswerkzeug, um komplexe Probleme einfach und schnell zu lösen. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie die leistungsfähigen SolidWorks Simulation Lösungen Ihren Produktentwicklungsprozess verbessern können, besuchen Sie oder rufen Sie uns unter (innerhalb der USA und Kanadas) bzw (international) an. Unternehmenssitz Dassault Systèmes SolidWorks Corp. 300 Baker Avenue Concord, MA USA Telefon: Niederlassung Deutschland Telefon: +49-(0) Hauptsitz Europa Telefon: +33-(0) SolidWorks ist eine eingetragene Marke der Dassault Systèmes SolidWorks Corp. Alle anderen Firmen- und Produktnamen sind Marken oder eingetragene Marken ihrer jeweiligen Eigentümer Dassault Systèmes. Alle Rechte vorbehalten. MKCOMWPDEU1210