Infoplaner 1/2009
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Infoplaner 1/2009
Ausgabe 01/2009 www.cadfem.de Infoplaner FEM: Software · Support · Seminare · Consulting · Entwicklung • Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik: Innovation durch Simulation mit ANSYS • Neu! ANSYS 12.0 • Neu! ANSYS Explicit Solution • Vom Spritzguss zur Strukturmechanik Editorial Der neue Führungsstab bei CADFEM In diesem Jahr werde ich 65. Es geht mir so, wie vielen anderen meines Alters: Selbst fühlt man sich noch gar nicht zum alten Eisen gehörig. 40 Jahre habe ich mich in der Finiten-Element- Welt bewegt - beruflich und oft auch privat: Schon 1969 als Diplomand, danach als Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Baustatik der Universität Stuttgart, 1976 – 1977 als Visiting Postdoctoral Scholar an der University of California in Berkeley, 1978 – 1982 als Application Manager bei Control Data, dann als selbständiger ANSYS Support Distributor für Europa und 1985 als Gründer und seither Gesellschafter und Geschäftsführer der CADFEM GmbH. Jetzt ist es Zeit, die Nachfolge zu bestellen. Da Distribution und Support von ANSYS unser Hauptgeschäft ist, kommen nur Kandidaten aus dem eigenen Haus mit langer ANSYS-Erfahrung und Akzeptanz bei unserer Kundschaft und bei unseren Softwarepartnern, insbesondere ANSYS, Inc., infrage. So war es naheliegend, Dr.-Ing. Jürgen Vogt und Erke Wang als zusätzliche Geschäftsführer auszuwählen. Es freut mich, dass beide Kollegen zugesagt haben. Der Beifall, bei der Bekanntgabe ihrer Wahl beim diesjährigen CADFEM-Kick-off-Meeting Anfang Februar hat bestätigt, dass die Entscheidung auch von den Mitarbeitern getragen wird. Erke Wang kam bereits1988 zu CADFEM. Damals hatte CADFEM, einem Aufruf des VDI folgend, eingewilligt, einen Praktikanten aus China mit FEM-Erfahrung und englischen Sprachkenntnissen für ein halbes Jahr aufzunehmen. Wir hatten unglaubliches Glück: Uns wurde Erke Wang geschickt, der neben den gewünschten Eigenschaften noch umfangreiche ANSYS-Kenntnisse mitbrachte. Als Mitarbeiter des chinesischen Ministeriums für Maschinenbau hatte er die ANSYS-Manuals der damaligen Version 4.2 ins Chinesische übersetzt. Nach allmählicher Gewöhnung an bayeri- sche Kost, Zuzug von Frau und Kind und bestandener Fahrschulprüfung hat er sich immer wohler bei CADFEM und in Bayern gefühlt. Er hat sich gar eine Lederhose sonder-anfertigen lassen (für einen, nach bayerischem Maß, nur mäßig ausgebildeten Bierbauch) und hat bravourös die Einbürgerungsprozedur bestanden: Erke Wang, ein Musterbeispiel für Migration! Nach 20 Jahren CADFEM, zuletzt als Bereichsleiter Service, ist Erke Wang bestens gerüstet für die zukünftige Aufgabe. Meinen ersten Kontakt zu Jürgen Vogt hatte ich bei meiner Präsentation von CADFEM bei Siemens im Jahr 1994. Ich war damals mit meinem Vortrag eigentlich ganz zufrieden und deshalb über die kritische Reaktion des Zuhörers Vogt, dem meine Bemerkung, eine Firma müsse „sich zwar keine goldene Nase verdienen, aber doch Gewinn machen“, überrascht. Dass er sich später dennoch bei CADFEM bewarb, erfreute mich; offensichtlich hatte er doch einen überwiegend positiven Eindruck von der Firma CADFEM mitgenommen. Jürgen Vogt war von 1989 – 1992 Doktorand der Universität der Bundeswehr München und danach bis 1995 Entwicklungsingenieur bei Siemens in München in der Fachabteilung „Methoden der Produkt und Prozessgestaltung, Rechnergestützte Verfahren zur Produktgestaltung“. Außerdem war er von 1995 – 1997 auch Lehrbeauftragter an der Fachhochschule München. Bei CADFEM hat Jürgen Vogt 1996 als Vertriebsmitarbeiter begonnen und war seit 2002 als Bereichsleiter für den Vertrieb von Software verantwortlich. Den Führungsstab werde ich ab April 2009 mit den Kollegen teilen. Jürgen Vogt wird die Tagesgeschäfte und Erke Wang die Technik betreuen. Ich werde weiterhin das Controlling übernehmen, mich mit neuen Geschäftsfeldern beschäftigen und unsere internationale Präsenz über Beteiligungen weiter ausbauen. Auch möchte ich mir Zeit nehmen, die Ausbildung in Simulationsmethoden zu fördern. Mein Stellvertreter ist mein Sohn Christoph, der zu gegebener Zeit meinen Posten als Geschäftsführer übernehmen wird. Auch unter der neuen Führung bleibt CADFEM ein Familienunternehmen. Erfreulich, dass solche Unternehmen zunehmend an Ansehen gewinnen und in der Presse sogar als „Modell für die Moderne“ vorgestellt werden: „Gerade in der Krise zeigen sie ihre Stärke: Innovative Familienunternehmen, die ihre Mitarbeiter achten und auf ihre Kunden hören. Sie reüssieren auf Weltmärkten, bringen frischen Wind in ihre Branche. Nicht jeder Betrieb erwirtschaftet Spitzenprofite, doch ihr Erfolg ist nachhaltig. Sie sind „die stillen Stützen“ der Volkswirtschaft“. (DIE ZEIT, Nr. 10, 26. Februar 2009) Ich wünsche den Geschäftsführungs-Kollegen Ausdauer und Kraft für ihre gewiss nicht leichte Aufgabe. Ich hoffe, sie nehmen nicht den Generalstab (hierarchisch) und nicht den den Bischofstab (weltfremd), sondern den Stab des Hirten oder den des Dirigenten als Maßstab für die Führung. Als Ingenieur erinnere ich sie an die technische Definition des Stabs: Er ist das einfachste Tragglied in einem Tragwerk. Richtig ausgelegt sichert er die Stabilität. Die Sicherung der Stabilität und der dauerhaften Existenz der Firma ist die vornehmste Aufgabe des Managers. Günter Müller Infoplaner 01/2009 1 CADFEM ANSYS 18. – 20. No CADFEM Users’ Meeting 2009 Deutschland ANSYS Conference & 27. CADFEM Users´ Meeting 18. – 20. November 2009 Leipzig www.usersmeeting.com Erleben Sie die Simulationstechnologien von heute für die Produkte und Prozesse von morgen auf der ANSYS Conference & dem 27. CADFEM Users’ Meeting, mit Software von ANSYS und mit komplementären Lösungen. CADFEM, ANSYS Germany und erstmals Ansoft präsentieren auf einer der größten Fachtagungen zur Simulation sowohl dem Spezialisten als auch dem interessierten Einsteiger über 3 Tage wieder ein vielfältiges technisches Informationsangebot aus Anwendervorträgen, Software-Neuheiten und Kompaktseminaren. Wir freuen uns auf Ihre Vortragseinreichung, u.a. zu den Themen: • Strömungsmechanik • Strukturmechanik implizit & explizit • Multiphysik • Elektromagnetik • Schaltungen & Systeme • Materialdesign • Biomechanik • u.v.m. Aktuelle Informationen zur Anmeldung und Vortragseinreichung finden Sie unter www.usersmeeting.com 2 Infoplaner 01/2009 << CADFEM Conference & 27. CADFEM Users’ Meeting 2009 ovember 2009, Congress Center Leipzig ➔ www.usersmeeting.com © Foto: Michael Bader – Leipzig Tourismus & Marketing GmbH (LTM); ANSYS Inc.; CADFEM GmbH Schweiz Österreich ANSYS Conference & 14. Schweizer CADFEM Users´ Meeting 11. – 12. Juni 2009 Zürich ANSYS Conference & 4. CADFEM Austria Users´ Meeting 23. – 24. April 2009 Wien www.usersmeeting.ch www.usersmeeting.at Wie krisenresistent ist eigentlich die Simulation innerhalb der Konstruktions- und Entwicklungsbereiche? Die virtuelle Produktentwicklung hat bewiesen, welche Innovationskraft in ihr steckt. Wie ernst und strategisch wertvoll dieses Feld in den Unternehmen erachtet wird, zeigt sich in diesen schwierigen Zeiten deutlich. Sie als „Simulanten“ besitzen die Werkzeuge, welche der Schlüssel zu besseren Produkten sein können. Die ANSYS Conference & 14. Schweizer CADFEM Users' Meeting soll die Botschaft „Simulation – der Treiber von Innovationen“ deutlich verkünden. Wir freuen uns auf Ihre Teilnahme am Mee<< ting der Simulanten. Simulation in der Produktentwicklung hat in Österreichs Firmen längst Fuss gefasst: Sie spart Zeit und Kosten, steigert Effizienz und Motivation und umfasst alle Bereiche der Struktur- und Strömungsmechanik, Elektromagnetik und der Multiphysik. Zur größten CAE-Fachtagung Österreichs laden CADFEM (Austria), ANSYS Germany << und Ansoft herzlich ein. Infoplaner 01/2009 3 Inhalt Inhalt Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik: Innovation durch Simulation mit ANSYS Die Integration von Elektromechanik und Elektronik zur Mechatronik führt auch in der Simulation zu neuen Herausforderungen. Dazu gehören die Elektronikkühlung, die optimierte Auslegung elektromechanischer Komponenten und elektrischer Antriebe sowie das Zusammenspiel im mechatronischen System. ANSYS bietet dafür ein breites Spektrum an Simulationswerkzeugen, das durch die Akquisition von Ansoft weiter ausgebaut wurde. Seite 26 – 43 26 Kostenfreie technische Informationstage zu diesem Thema Seite 29 NEU! ANSYS 12.0 Ausblick auf die neue Version 12.0 von ANSYS, die im Frühjahr 2009 erscheint. 14 Seite 14 ff. NEU! ANSYS Explicit Solution Für die Simulation hochgradig dynamischer und nichtlinearer Vorgänge hat ANSYS mit der Version 12 die mächtigen Solver der Programme LS-DYNA und ANSYS AUTODYN in die Workbench Umgebung integriert. 22 Seite 22 Vom Spritzguss zur Strukturmechanik: Ein Jahr DIGIMAT bei CADFEM Seit einem Jahr gehört DIGIMAT, das virtuelle Materiallabor, mit dem sich Composites komplett nichtlinear und anisotrop beschreiben lassen, zum CADFEM Portfolio. Eine Zwischenbilanz. 46 Seite 46 – 47 AnyBody: Fit durch Raum und Zeit Eine Machbarkeitsstudie mit der Software AnyBody untersucht Fitnessübungen, mit denen Astronauten dem Muskel- und Knochenabbau bei längeren Aufenthalten in der Schwerelosigkeit entgegenwirken können. 54 4 Infoplaner 01/2009 Seite 54 – 55 Inhalt / Impressum 01 Editorial CADFEM 02 CADFEM Users´ Meetings 2009 06 Unternehmensporträt 08 Softwarelösungen 10 Weiterbildung bei CADFEM – Die „Krise“ nutzen 11 Berechnung im Auftrag bei CADFEM 12 Simulation an Bord: CADFEM Produkte und Dienstleistungen bei Airbus 58 20 Jahre Infoplaner ANSYS 14 ANSYS Programmübersicht 16 NEU! ANSYS 12.0 18 ANSYS bei der Fa. MOOG: Brückenuntersichtgeräte – Der Weg ist das Ziel 20 Earthquake Related Deformation in Chile 22 NEU! ANSYS Explicit Solution Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik 26 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik: Innovation durch Simulation mit ANSYS 28 CADFEM Consulting-Projekt: Untersuchung des Geräuschverhaltens eines E-Motors 29 Elektronik – Elektromechanik – Mechatronik: Informationstage Multiphysik 30 Elektromechanische Antriebe, simuliert mit ANSYS 33 Makromodelle: Ein neuer Ansatz zur schnellen und präzisen Simulation von Antriebssystemen 36 Efficient Electrothermal Simulation of Power Electronics 38 FE Analysis of Different PM Machines for Hybrid Vehicles Application 40 Thermo-Mechanical Analysis of a Smart Power Switch Subjected to Transient Thermal Stress 42 Mechanische FEM Leiterplattenmodelle auf Basis der Laminattheorie Explizite Strukturmechanik 22 NEU! ANSYS Explicit Solution 23 LS-DYNA und ANSYS AUTODYN 24 Deformation Behaviour Analysis of PET Bottles in a High Speed Labeling Machine 50 Eigenschaftsbestimmung zellulärer Wabenkernstrukturen anhand virtueller Tests Materialdesign 46 Vom Spritzguss zur Strukturmechanik: Ein Jahr DIGIMAT bei CADFEM 48 Multiskalensimulation in der Praxis: Was macht den Kunststoff so komplex? Medizin & Biomechanik 53 Simulation in Medizin & Biomechanik 54 AnyBody: Fit durch Raum und Zeit Grundlagen & Technologie 56 Studie zur Implementierung der XFEM in ANSYS 44 60 62 64 Das Endulen-Projekt Veranstaltungen April bis September 2009 Bücher Bestellformular für Bücher und Lernsoftware Anzeigen U2 Microsoft 32 Congress Center Leipzig 51 Weingut Württemberg 55 brand eins Wirtschaftsmagazin 62 Animals’ Angels U3 European Automotive Simulation Conference EASC Impressum Herausgeber: CADFEM GmbH Marktplatz 2 85567 Grafing b. München Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0 Fax +49 (0) 80 92-70 05-77 E-Mail [email protected] www.cadfem.de Anzeigen/Koordination/Redaktion: Alexander Kunz, [email protected] Christoph Müller, [email protected] Layout: christian loose grafik design, Grafing Produktion: Bechtle Druck & Service, Esslingen Auflage 35.000 Exemplare Copyright: © 2009 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, CFX, ICEM CFD, AUTODYN, FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt 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-PrePost 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, CFX, ICEM CFD, AUTODYN, FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt 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-PrePost 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. Titelbild: Elektromotorenwerk Grünhain; Fotomontage: Jan-Stefan Knick, CADFEM GmbH Infoplaner 01/2009 5 CADFEM CADFEM: FEM Software und Dienstleistungen ANSYS und CAE-Kompetenz – dafür steht der Name CADFEM seit 1985 in Deutschland, Österreich und der Schweiz. Über Beteiligungen und Partnerschaften ist CADFEM heute weltweit aktiv, u.a. in Polen, Tschechien und Russland sowie in den USA, in China und in Indien. Technologien des Computer Aided Engineering (CAE) tragen heute in vielen Branchen entscheidend zur Verkürzung und Optimierung von Produktentwicklungsprozessen bei. Berechnungen am Computer ermöglichen es Unternehmen, das Verhalten von Bauteilen, Produkten oder Prozessen unter dem Einfluss verschiedener physikalischer Beanspruchungen am Bildschirm zu untersuchen. Dadurch werden nicht nur eine Vielzahl an zeitintensiven und teuren Versuchsreihen ohne Qualitätsverlust umgangen, sondern auch neue Innovationspotenziale genutzt. Auf diesem Gebiet unterstützt CADFEM Anwender aus Industrie und Forschung seit 1985. Mit Software, Hardware, Seminaren und Support, mit Consulting und Entwicklung. Heute beschäftigen die CADFEM GmbH, die CADFEM (Suisse) AG und die CADFEM (Austria) GmbH über 150 Mitarbeiter. Deren Know-how trägt entscheidend dazu bei, dass CADFEM heute zu den führenden Anbietern von Software und Ingenieurdienstleistungen im Bereich des CAE gehört. Über ein weltweites Partnernetzwerk haben Kunden über CADFEM darüber hinaus direkten Zugang zu einem einzigartigen Fundus an CAE-Lösungen und CAE-Expertise. Soft- und Hardwarevertrieb Um das Hauptprodukt ANSYS bietet CADFEM ein Portfolio aus leistungsfähigen ergänzenden Softwarelösungen an. Für alle Produkte gilt, dass der Kunde bei CADFEM ein adäquates Serviceangebot und kom- 6 Infoplaner 01/2009 petente Ansprechpartner findet. Als Partner namhafter Hardware-Hersteller kann CADFEM auch fertig konfigurierte, abgestimmte Komplettlösungen aus Software und Hardware anbieten. ➔CADFEM Software im Überblick auf S. 8/9 Seminare, Support, Studium Zuverlässiger und kompetenter Anwendersupport und ein breit gefächertes Seminarangebot zu ANSYS und allen anderen Softwareprodukten sowie ein softwareunabhängiges Weiterbildungsprogramm (CAE Wissen, CAE Masterstudiengang) zeichnen den CADFEM Service aus. ➔Seminare und Masterstudium auf S. 10 Consulting CAE und Entwicklung Berechnungsingenieure mit fundierter Ausbildung und Erfahrung in unterschiedlichsten Disziplinen bilden ein kompetentes Team für Consulting-Projekte. Direkter interdisziplinärer Austausch und eine erstklassige Infrastruktur aus Software und Hardware gewährleisten eine effiziente Bearbeitung. ➔ Consulting im Überblick auf S. 11 • Seit Unternehmensgründung 1985 ist CADFEM enger Partner von ANSYS in Zentraleuropa. Als ANSYS Competence Center FEM ist CADFEM der erste Ansprechpartner für ANSYS Software mit Schwerpunkt impliziter und expliziter Strukturmechanik, Elektronik und Multiphysik. Dies erfolgt in direkter Zusammenarbeit mit der ANSYS Germany GmbH, die den Bereich der High-End Strömungsmechanik unterstützt. • Komplementäre CAE-Software CADFEM steht für ANSYS in Zentraleuropa – und für ausgesuchte komplementäre Softwarelösungen. Zu jeder angebotenen Software erbringt CADFEM alle produktbegleitenden Dienstleistungen – Beratung, Schulung, Support und Consulting. • CADFEM Innovativ: CAE in neuen Anwendungsgebieten Mit Investitionen und Ideen adressiert CADFEM CAE-Anwendungen der Zukunft: Materialdesign durch Simulation oder Simulation in der Medizin. CADFEM ist Gründungsmitglied der TechNet Alliance (www.technet-alliance.com). Die Adressen von CADFEM sowie Partnerfirmen, an denen eine Beteiligung besteht, finden Sie auf der Rückseite dieses Info<< planers. CADFEM i | Information Ihre Ansprechpartner Deutschland CADFEM GmbH Schweiz CADFEM (Suisse) AG Österreich CADFEM (Austria) GmbH Software Dr.-Ing. Volker Bäumer Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51 E-Mail [email protected] Software Markus Dutly Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02 E-Mail [email protected] Software Alexander Dopf Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-14 E-Mail [email protected] Seminare Marc Vidal Tel. +49 (0) 80 92-70 05-18 E-Mail [email protected] Seminare Davide Valtorta Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01 E-Mail [email protected] Seminare Wolfgang Artner Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-16 E-Mail [email protected] Consulting Dr.-Ing. Marold Moosrainer Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45 E-Mail [email protected] Consulting Philipp Huber Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06 E-Mail [email protected] Consulting Christoph Schlegel Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12 E-Mail [email protected] Entwicklung Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens Tel. +49 (0) 511-39 06 03-17 E-Mail [email protected] Hardware Manfred Bayerl Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39 E-Mail [email protected] CADFEM ist Mitglied im Automotive Simulation Center Stuttgart Erweiterung der Geschäftsführung Seit dem 1. April 2009 gehören die langjährigen Leiter der Geschäftsbereiche Vertrieb und Service, Dr.-Ing. Jürgen Vogt und Erke Wang, neben dem Inhaber Dr.-Ing. Günter Müller, der CADFEM Geschäftsführung an. Der Bereich Vertrieb wird von Dr.-Ing. Volker Bäumer weitergeführt. Dr.-Ing.Jürgen Vogt | Zusatzinformation | Erke Wang Das Automotive Simulation Center Stuttgart (ASC-S) ist ein Verein, in dem Daimler, Porsche und Opel, Zulieferer, Software-Anbieter sowie Institute der Universität Stuttgart anwendungsorientierte Simulationsforschung betreiben. Ziel dieses unternehmensübergreifenden Projektes ist die weitere Stärkung des Forschungs-, Technologieund Wirtschaftsstandortes Stuttgart in der Schlüsselbranche Automobil. Zu den Schwerpunkten zählen die Themen Leichtbau und neue Konzepte für verbrauchs- und schadstoffarme Antriebe. www.asc-stuttgart.de | Zusatzinformation | CADFEM Studentenund Schülerpreis Jedes Jahr prämiert CADFEM herausragende Fach-, Studien- und Diplomarbeiten mit einem Geldbetrag von 500 bzw. 1.000 EUR und einer Einladung auf das Users’ Meeting. Vorschläge für das Jahr 2009 können ab sofort von den Studenten und Schülern selbst oder von einem „Mentor“ eingereicht werden. Inhaltlich werden Arbeiten erwartet, die sich mit technischen Themen (nicht zwingend FEM) auseinandersetzen. Aber auch wenn es sich um ganz andere bemerkenswerte Studiengebiete und -ergebnisse handelt, sind wir neugierig! Kontakt: Dr.-Ing. Günter Müller, [email protected] | Zusatzinformation | Infoplaner 01/2009 7 CADFEM Softwarelösungen von CADFEM ANSYS-Produkte ANSYS DesignSpace & ANSYS Professional NLS Konstruktionsnahe strukturmechanische Berechnung im 3D CAD-Umfeld ANSYS Mechanical & Mechanical Emag Strukturmechanik implizit & explizit, Temperaturfelder, Elektromagnetik, gekoppelte Anwendungen ANSYS Explicit Explizite Strukturmechanik in ANSYS Workbench auf Basis von ANSYS AUTODYN und LS-DYNA ANSYS Workbench: Die Multiphysik CAE-Plattform ANSYS Multiphysics Strukturmechanik implizit & explizit, Strömungsmechanik, Temperaturfelder, Elektronik, Elektromagnetik, gekoppelte Anwendungen und Multiphysik in einem Programm und in einer Benutzerumgebung ANSYS Icepak Thermisches Management in der Elektronik ANSYS CFD Strömungssimulation Ansoft Elektromagnetik-Simulation im Hochfrequenz- und Niederfrequenzbereich, Systemsimulation. i | Weitere Informationen S. 26 ff. www.cadfem.de/ansys www.ansys.com i | Weitere Informationen S. 14 ff. Software kennenlernen Hardware für Software Software-Training Kostenfreie technische Informationstage Den passenden Rechner gleich dazu Anwenderschulungen für Einsteiger & Fortgeschrittene Hier lernen Sie ANSYS kennen – und CADFEM gleich mit! Kompakt an einem Tag erhalten Interessierte einen themenspezifischen Überblick über die technischen Möglichkeiten, die Vorgehensweise und die Einsatzgebiete von ANSYS oder einem anderen Programm. Infotage finden regelmäßig in verschiedenen Städten in Deutschland, Österreich und der Schweiz statt. Die Teilnahme ist kostenfrei, die Informationen sind technisch ausgerichtet und auf den Bedarf der Zielgruppe zugeschnitten. Ein fester Bestandteil der Agenda ist die Diskussion individueller Fragen. Sie möchten aus Ihrer Berechnungssoftware durch die richtige Hardwareplattform das Optimum herausholen? Auch hier sollten Sie mit CADFEM sprechen. CADFEM ist Partner der bekannten Hardwarefirmen, wie HP, FSC oder Dell, und kann die Anwender herstellerneutral beraten. Kunden profitieren von unseren Erfahrungen bei Benchmarks. Und auch die Preise der Rechner sind attraktiv, betriebsbereite Konfiguration & Installation der bestellten Programme inklusive. Software Aus- und Weiterbildung: Das CADFEM Schulungsangebot erstreckt sich für alle Produkte von Einführungs- bis hin zu Vertiefungsveranstaltungen für Experten. Referenten sind Mitarbeiter von CADFEM und externe Fachleute, die alle eine langjährige Erfahrung mit dem geschulten Programm und Anwendungsgebiet mitbringen. Seminare werden in den Geschäftsstellen von CADFEM in Deutschland, Österreich und der Schweiz sowie auf Wunsch auch firmenspezifisch beim Kunden durchgeführt. www.cadfem.de/infotage www.cadfem.de/hardware www.cadfem.de/seminare 8 Infoplaner 01/2009 CADFEM www.cadfem.de/produkte Komplementäre CAE-Software zu ANSYS: Explizite Strukturmechanik Umformen LS-DYNA LS-OPT LS-PrePost FTI Forming Suite Simulation in der Blechbauteilentwicklung, One-Step-Solver zur Bewertung der Umformbarkeit und weitere Modelle, u.a. zur Berechnung von Platinenzuschnitten, Platinenschachtelung, Schachtelung von Folgeverbundprozessen und Optimierung von Materialkosten. FTI Forming Suite Produkte sind Standalone und CAD-integriert (u.a. CATIA) verfügbar. i Crash, Falltest, Umformung u.a Successive Response Surface Method Pre-/Postprocessor zu LS-DYNA | Weitere Informationen S. 22 und 50 Betriebsfestigkeit RIFest RANfat Bewertung von FEM-Ergebnissen nach FKM Lebensdauerbewertung für Random Vibration Schweißen VirtualWeldShop Optimierung optiSLang TOSCA Multidisziplinäre Optimierung Parameterfreie Topologie-, Form- und Sickenoptimierung WAON Mechatronik Mor for ANSYS i Akustik Schneller Solver zur Berechnung der Schallabstrahlung auch sehr großer Modelle Lackieren VirtualPaintShop i Berechnung von Composites Materialkennwerte für ANSYS Workbench Nichtlineare Berechnung von Mikrostrukturen Multiskalensimulation Simulation des Lackierprozesses von Automobilkarosserien und Blechbaugruppen Biomechanik AnyBody i | Weitere Informationen S. 46 ff. Schnittstelle von ANSYS zur Systemsimulation | Weitere Informationen S. 36 Material ESAComp IDAC Materialdatenbank DIGIMAT MaterialsStudio Simulation von Schweißen, Wärmebehandlung, Verzug Muskuloskeletale Analyse (Ergonomie, Orthopädie u.v.m.) | Weitere Informationen S. 53 Software bedarfsgerecht mieten Software-Support Software-Customization eCADFEM: FEM-Software „on Demand“ Kompetente Anwenderunterstützung, zuverlässig erreichbar Anwender-, firmen- oder branchenspezifische Entwicklung Sie nutzen Software nur sporadisch oder müssen Kapazitätsengpässe überbrücken? eCADFEM ist ein Service, der bedarfsgerecht und mit sekundengenauer Abrechnung – daher besonders wirtschaftlich – die Nutzung vieler CADFEM Simulationsprogramme ermöglicht. Alternativ zum Lizenzkauf bietet eCADFEM über das Internet unmittelbaren Zugriff auf ANSYS und weitere FEM-Lösungen. Insbesondere wenn Programme nicht regelmäßig genutzt werden oder vorhandene Lizenzen temporär erweitert werden müssen, gewährleistet eCADFEM dem Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität und Kostenkontrolle. Wenn Sie mal nicht weiter wissen: Support über Telefon, Telefax, E-Mail, Internet, WebEx oder auch vor Ort erbringen erfahrene Berechnungsingenieure, die mit ANSYS und den anderen CADFEM Softwarelösungen bestens vertraut sind. Der CADFEM Support ist werktags von 8 – 18 Uhr besetzt. Die Hotline-Mitarbeiter haben nicht nur engen Kontakt zu den Anwendern, sondern stehen auch in direkter Verbindung mit den Entwicklern von ANSYS und den anderen Partnern. ANSYS kann um kundenindividuelle Lösungen erweitert werden. Diese programmiertechnischen Anpassungen bietet CADFEM im Geschäftsbereich Entwicklung an. Bei den meisten Projekten geht es um ANSYS Workbench. Deshalb wurde innerhalb des Entwicklungsbereichs ein „Workbench Customization Team“ gebildet. Aber auch die Anpassung anderer Produkte wie z.B. ANSYS Classic oder LS-DYNA wird von den CADFEM Entwicklern abgedeckt. www.eCADFEM.com www.cadfem.de/support www.cadfem.de/entwicklung Infoplaner 01/2009 9 CADFEM Weiterbildung bei CADFEM – Die „Krise“ nutzen Die aktuelle wirtschaftliche Unsicherheit und Auftragsflaute wird von vielen Firmen bewusst zur Weiterbildung der Mitarbeiter genutzt. Bei CADFEM finden Praktiker aus Forschung und Entwicklung ein vielschichtiges Angebot an Seminaren zum Thema Simulation und einen berufsbegleitenden Masterstudiengang. In seiner Märzausgabe berichtet das Wirtschaftsmagazin brand eins über Unternehmen, die versuchen, die Wirtschaftskrise mit anderen Mitteln als Entlassungen zu überstehen. So wird auf Seite 68 die Firma Voss Automotive in Wipperfürth vorgestellt, die Umsatzeinbrüche von bis zu 50% verzeichnet, und die auf Weiterbildung setzt. „Wir haben endlich die Zeit dafür, und am Ende kommt uns das sogar billiger als in normalen Zeiten“, sagt Siegfried Baumeister, Bereichsleiter Personal und Organisation. Weil die Weiterbildung in Kurzarbeitsphasen stattfindet, wird das Gehalt der Teilnehmer zum Großteil von der Bundesagentur für Arbeit bezahlt. Werden externe Bildungsträger beauftragt, übernimmt sie zudem bei Geringqualifizierten die vollen Kosten, bei qualifizierten Mitarbeitern fließen 60 Prozent der Aufwendungen aus dem Europäischen Sozialfonds“. Weiterbildung ist eine Möglichkeit, die Zeit der mangelnden Auslastung sinnvoll und nachhaltig zu nutzen. In wirtschaftlich guten Zeiten wird oft gesagt, dass nicht die Höhe der Seminargebühren das Problem ist. Vielmehr fehlt das für die Fortbildung erforderliche Zeitbudget. Also warum sollte man nicht die Zeiten der Krise für Weiterbildung nutzen? 10 Infoplaner 01/2009 CADFEM offeriert ein breit gefächertes Seminarangebot, den berufsbegleitenden Masterstudiengang „Applied Computational Mechanics“ und den in der Endphase der Entwicklung befindlichen Kurs „eFEM für Praktiker“. CAE-Wissen durch Seminare Unsere Seminare umfassen sowohl software-orientierte Themen als auch, in der Rubrik „CAE-Wissen“, software-unabhängige aktuelle Themen der Simulation. Die Seminare bieten wir sowohl öffentlich in unseren Büros als auch geschlossen als Firmenschulungen an. Auf Anfrage können auch firmenspezifische Schulungsthemen aufgenommen werden. Berufsbegleitendes Masterstudium “Applied Computational Mechanics” Der zweijährige, berufsbegleitende Studiengang richtet sich insbesondere an Berechnungsingenieure, die besser die theoretischen Grundlagen der Simulationstechnik verstehen wollen und müssen. Die Teilnehmer erarbeiten sich dieses Fachwissen mit Gewichtung auf den praxisbezogenen Transfer in den Ingenieuralltag. Zusätzlich werden ausgewählte Managementthemen einbezogen. Ein vielseitiges Dozententeam mit Experten aus Wissenschaft und Industrie bringt sich hier ein. diesjährigen Kurs sind bis Mitte Juni möglich. eFEM für Praktiker Dieser praktisch orientierte Einführungskurs in die FEM richtet sich an Absolventen von Technikerschulen und an Konstrukteure. In 200 Stunden Lernzeit werden Grundkenntnisse der Simulation im Bereich der linearen Strukturmechanik vermittelt. Konzipiert als „Blended Learning“ bietet er eine größere Flexibilität in der Zeitplanung – nur ein Drittel der Zeit entfallen auf Präsenzseminare. Den verbleibenden Lernstoff erarbeiten sich die Teilnehmer mittels e-Learning. Starten wird das An<< gebot Ende 2009. i | Information Weitere Informationen & Ansprechpartner CADFEM Seminare Getragen wird das Studium von den Hochschulen für angewandte Wissenschaften Landshut und Ingolstadt, an denen auch die Präsenzblöcke stattfinden. Die Zulassung zum Studium setzt einen ersten Studienabschluss, Berufspraxis und Englischkenntnisse voraus. Marc Vidal, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-18 E-Mail [email protected] www.cadfem.de/seminare Masterstudiengang & eFEM für Praktiker Anja Vogel, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-52 Ab 2009 können einige Module auch separat belegt werden. Bewerbungen für den E-Mail [email protected] www.esocaet.com CADFEM Berechnung im Auftrag bei CADFEM i Neben ANSYS und komplementären Softwareprodukten bietet CADFEM auch Consulting-Dienstleistungen an. Ein Widerspruch? Nein. Als Unternehmen, das sich voll und ganz dem Thema Simulation verschrieben hat, den Zusatz „ANSYS Competence Center FEM“ führt und Kundenorientierung lebt, ist das CAE-Consulting ein elementarer Baustein. Arbeitsbeispiele und Referenzen | Information Ansprechpartner Deutschland Dr.-Ing. Marold Moosrainer Ausgesuchte Referenzprojekte des CADFEM CAE Consulting Teams senden wir Ihnen gerne zu. Sie finden diese auch im Internet unter www.cadfem.de/consulting 30 Berechnungsingenieure bilden das CADFEM CAE-Consulting Team. Die meisten | Zusatzinformation | Auftraggeber sind Unternehmen, die Berechnungen grundsätzlich outsourcen. Andere Kunden, die selbst ANSYS (oder eine andere Software) nutzen, wenden sich aufgrund eines Kapazitätsengpasses oder Bedarf an Spezial-Know-how an CADFEM. Auch wird oft die Einführung von ANSYS mit einem Know-how Transfer in Form eines gemeinschaft<< lich durchgeführten Projektes verbunden. Unsere Visitenkarte Typische Analysearten • 25 Jahre Erfahrung in der Auftragsberechnung • Zehn Standorte in Deutschland, Österreich, Schweiz und damit in Ihrer Nähe • FEM Expertise in vielen Berechnungsdiziplinen und Branchen • Consulting, Entwicklung, Seminare, Support, Soft- und Hardware aus einer Hand • Bewertung, Nachweisführung und Diskussion der Ergebnisse als wesentlicher Teil unserer Dienstleistung • Know-how Transfer z.B. durch individuelle Projektschulungen • Kundenspezifische Lösungen, die auf Ihre Aufgabenstellung zugeschnitten sind • • • • • • • • • • • • Verformung Temperatur Spannungsanalyse Schwingungsanalyse Festigkeit (Statik und Betriebsfestigkeit) Falltestanalysen (Droptest) Akustik Crash Elektromagnetische Felder Strömung Optimierung Kundenspezifische Softwareanpassung: ANSYS, WB Customization, Implementieren von Materialmodellen • Kundenspezifische Lösungen, die auf Ihre Aufgabenstellung zugeschnitten sind Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45 E-Mail [email protected] Oder via CADFEM CAE-Line Tel. +49 (0) 800-6 64 87 58 E-Mail [email protected] Schweiz Philipp Huber Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06 E-Mail [email protected] Österreich Christoph Schlegel Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12 E-Mail [email protected] Branchenspezifische Nachweisverfahren und Regelwerke • Maschinen-, Anlagen- und Stahlbau (z.B. FKM, IIW, Kranbau DIN 15018, Stahlbau DIN 18800) • Crash (z.B. Dummies, Pkw-Sitze nach ECE-R14, ECE-R17, Euro-NCAP, FMVSS) • Maschinenelemente (z.B. Schrauben VDI 2230, Pressverband DIN 7190) • Druckbehälter (z.B. AD2000, ASME, EN13445) • Elektronik (z.B. Umweltprüfungen nach DIN EN60068, Shakertest, Bauteiltest nach JEDEC) • Energietechnik (z.B. KTA) • Kundenspezifische Nachweise Infoplaner 01/2009 11 Airbus Deutschland GmbH Simulation an Bord Software, Seminare, Consulting- und Entwicklungsdienstleistungen von CADFEM bei Airbus Der Einsatz neuester Simulationstechnologien ist bei Airbus seit Jahrzehnten eine Selbstverständlichkeit. Die Entwicklungsingenieure des größten europäischen Flugzeugherstellers sind versierte Anwender der führenden Softwaresysteme für die rechnerische Simulation. Viele Simulationsaufgaben werden mit ANSYS und LS-DYNA gelöst, die Airbus bei CADFEM bezieht. Mit CADFEM verbindet Airbus eine Partnerschaft, die weit über die Lieferung von Simulationssoftware hinausgeht. AirbusIngenieure nutzen gerne das breit gefächerte Seminarangebot von CADFEM zur Aus- und Weiterbildung in der Simulation, insbesondere firmenspezifische Seminare vor Ort. Ergänzend zu den selbst durchgeführten komplexen Simulationsaufga- 12 Infoplaner 01/2009 ben nutzt Airbus zudem die Kompetenz des CADFEM Consulting-Teams, dem spezifische Simulationsaufgaben übertragen werden. Sehr erfolgreich ist auch die Zusammenarbeit von Airbus und CADFEM im Bereich Entwicklung: Mit einem Award for Excellence in der Kategorie Innovation ist das gemeinsame Projekt ViTAL ausgezeichnet worden. ViTAL, das auf ANSYS basiert, steht für „Virtual structure Test Analysis Laboratory“ und ermöglicht Airbus eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis in der Strukturanalyse. Bevor ein neues Flugzeug in Dienst gestellt wird, müssen tausende von Details untersucht werden. Zu diesen wichtigen Untersuchungen gehören auch Versuche, bei de- nen Teile der Struktur bis zum Bruch belastet werden. Mit ViTAL können diese statischen Versuche virtuell am Rechner vorgenommen werden. Das reduziert die Anzahl der notwendigen Tests erheblich. Darüber hinaus dient ViTAL zur wirklichkeitsnahen Berechnung von beliebigen Teilstrukturen eines Flugzeugrumpfs. So wird ViTAL heute bei der Berechnung von Schalen aus Aluminium, GLARE und CFK sowie in der Beurteilung von Beschädigungen eingesetzt. ViTAL vereinfacht den Modellaufbau erheblich, indem es sämtliche Bausteine einer Rumpfschale ähnlich wie in einem Legokasten bereitstellt und den Zusammenbau zur Gesamtstruktur auf einfache Art ermöglicht. Alle weiteren notwendigen Airbus Deutschland GmbH Schritte der Berechnung erfolgen vollständig automatisch durch das Programm, das den Ingenieur auch bei der nachfolgenden Auswertung der Berechnungsergebnisse unterstützt. ViTAL ermöglicht eine enorme Zeit- und Kostenersparnis, weil weniger Strukturversuche erforderlich sind. ViTAL-Simulationen der verbleibenden Tests helfen, den Versuchsaufbau zu optimieren und die Qualität von Messung und Auswertung zu verbessern. Auch für den täglichen Berechnungseinsatz ist ViTAL ein mächtiges und komfortables Werkzeug. Komplexe Modelländerungen können sekundenschnell ausgeführt werden, so dass umfangreiche Parameterstudien möglich sind. Die Qualität und Genauigkeit der Berechnungen ist außerordentlich. Alle Ansätze der Modellierung und Berechnung, die sich in ViTAL verbergen, sind systematisch anhand von Testergebnissen auf ihre Richtigkeit überprüft. Damit können sich die Anwender darauf verlassen, dass sie ein funktionierendes und zuverlässiges Berechnungsmodell erhalten. Zudem sind von einem in ViTAL erzeugten Modell sämtliche Berechnungsinformationen übersichtlich festgehalten. Ein Qualitätsmanagement der Berechnungen wird dadurch erst möglich. ViTAL ist hervorragend dokumentiert. So können sich auch Neuanwender sehr leicht einarbeiten und statische Berechnungen schnell, erfolgreich und zuverlässig erstellen. << i | Information Ansprechpartner zu Airbus bei CADFEM Martin Kracht CADFEM Hannover Tel. +49 (0) 511-39 06 03-13 E-Mail [email protected] Image Courtesy: Airbus Deutschland GmbH www.airbus.de Fotomontage: Jan-Stefan Knick, CADFEM GmbH Infoplaner 01/2009 13 ANSYS ANSYS Software ANSYS bietet Spitzentechnologie für die rechnerische Simulation auf der Basis von ein und demselben Datenmodell in einer einheitlichen Benutzerumgebung für praktisch alle Physiken. Skalierbar auf die individuellen Anforderungen des Anwenders kann ANSYS flexibel in vorhandene Entwicklungsinfrastrukturen integriert und insbesondere an die CAD-Welt nahtlos angebunden werden. ANSYS Simulationstechnologie • Einzigartige Anwendungsbreite - Implizite und explizite Strukturmechanik - Strömungsmechanik - Temperaturfelder - Elektromagnetik • Umfassende Funktionalität innerhalb jeder Physik • Multiphysik: Direkte Kopplungsmöglichkeiten • Skalierbarkeit nach individuellen Anforderungen: Von konstruktionsnah bis High-End • Offenheit und Flexibilität zur vertikalen Integration und Kopplung mit anderen CAE-Systemen • ANSYS EKM: Verwaltung und Archivierung von Simulationsdaten und -prozessen 14 Infoplaner 01/2009 Bereits seit 1970 – und damit als eines der ersten kommerziellen Programme auf dem Markt – hat ANSYS seine Technologien und seinen Marktanteil kontinuierlich ausgebaut und ist heute als unabhängiges Unternehmen der weltweit führende Anbieter von Simulationstechnologie für den Produktentstehungsprozess. ANSYS Software ist weltweit • mit über 13.000 Kunden • mit über 200.000 kommerziellen Installationen und • mit über 200.000 HochschulInstallationen die am häufigsten genutzte Simulationssoftware für Forschung und Entwicklung. ANSYS Software ist nicht starr, sondern sie kann branchen-, unternehmens- oder anwenderspezifisch angepasst, erweitert oder mit komplementären Lösungen gekoppelt werden. Simulation Driven Product Development Eine einheitliche Benutzerumgebung, aus der heraus anhand ein und desselben Datenmodells das Verhalten des künftigen Produktes unter der Einwirkung unterschiedlicher physikalischer Effekte analysiert werden kann – das ist ANSYS Workbench. Den Grad an Automatisierung, den Umfang an Funktionalität, die Detailliertheit der Berechnung – alles dies bestimmt der Anwender selbst. Das prädestiniert ANSYS Workbench als Unternehmenslösung: Für unterschiedliche Herausforderungen, von der konstruktionsnahen Bauteil-Überschlagsrechnung bis zur komplexen gekoppelten High-End Berechnung quer durch alle Physiken, besteht eine einheitliche Datenbasis und damit Durchgängigkeit im Sinne einer hochmodernen simulationsgetriebenen Produktentwicklung. Seit 2008 bietet ANSYS zudem mit EKM ein System für das effiziente Simulationsdatenmanagement. << ANSYS Bilder: ANSYS, Inc. Als ANSYS Competence Center FEM bietet CADFEM • • • • • • ANSYS Software ANSYS Support ANSYS Seminare ANSYS Consulting CAE ANSYS Customization ANSYS Academic Software ANSYS 12.0 (ab Frühjahr 2009) • Übersicht und Veranstaltungen zu ANSYS 12.0 i | Weitere Informationen S. 16 – 17 • Neu ab 12.0: ANSYS Explicit Solution i | Weitere Informationen S. 22 Kostenfreie ANSYS Informationstage CADFEM und ANSYS Germany veranstalten regelmäßig kostenfreie, technisch ausgerichtete Informationstage zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der ANSYS Softwarepakete. • Informationstage ANSYS Strukturmechanik statisch/dynamisch – linear/nichtlinear – implizit/explizit • Informationstage ANSYS Multiphysik Elektromechanik – Elektronik – Mechatronik • Informationstage FEM für CAD Konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Berechnung • Informationstage ANSYS CFD Strömungssimulation (Veranstalter: ANSYS Germany) i | Information Ansprechpartner ANSYS Software Deutschland Dr.-Ing. Volker Bäumer Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51 E-Mail [email protected] Schweiz Markus Dutly Von Ingenieur zu Ingenieur lernen die Teilnehmer die Möglichkeiten der Software anhand live berechneter Beispiele aus der Praxis kennen. Zum Informationsangebot gehören auch Hinweise zur Rolle der Simulation in der Entwicklung, zur Integration der Software in die Entwicklungsinfrastruktur und zum Einführungsprozess im Unternehmen. Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02 E-Mail [email protected] Österreich Alexander Dopf Termine, Inhalte, Anmeldung: www.cadfem.de/infotage Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-14 E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 15 ANSYS ANSYS 12.0: Workbench 2 und weitere Highlights Simulationstechnologie von heute für die Produkte von morgen: In der Version 12 unterstützt ANSYS die Anwender mit gezielten Erweiterungen und Neuerungen, Simulationsaufgaben noch schneller und noch effektiver zu lösen. Diese Seite gibt einen ersten Überblick, detaillierte Informationen für die Praxis erhalten Kunden und Interessierte an den ANSYS 12.0 Veranstaltungen von CADFEM und ANSYS Germany. Simulationstechnologie von ANSYS wird permanent und konsequent weiterentwickelt. Darauf beruht der Erfolg der Software und der ihrer Anwender. Ziel von CADFEM und ANSYS Germany ist es, den Anwendern in Deutschland, Österreich und der Schweiz die Möglichkeiten der neuen Version 12 schnell und mit allen Vorteilen für die praktische Arbeit vorzustellen. Diese Seite gibt Ihnen einen ersten Überblick. Umfassend und interaktiv möchten wir Ihnen ANSYS 12.0 persönlich oder online in Webinar-Form vorstellen. Daher empfehlen wir Ihnen folgende Veranstaltungen: ANSYS 12.0 Informationstage Überblick über das gesamte Portfolio von ANSYS mit Schwerpunkt auf der aktuellen Version 12. • Veranstalter: CADFEM & ANSYS Germany • Dauer: 1 Tag, kostenfrei ANSYS 12.0 Webinare Technische Online-Seminare zum reibungslosen Einstieg in ANSYS 12.0 für ausgewählte Simulationsaufgaben aus der Strukturmechanik, Multiphysik und CFD. • Veranstalter: CADFEM & ANSYS Germany • Dauer: 1 Stunde, kostenfrei ANSYS 12.0 Update-Trainings In den Update-Trainings finden Sie zahlreiche Beispiele zur Umsetzung der neuen Funktionen. Um besser auf die Anforderungen der verschiedenen Nutzer eingehen zu können bieten wir Ihnen die Update Trainings getrennt für Strukturmechanik und Multiphysics Anwendungen an. • Veranstalter: CADFEM • Dauer: 1 Tag • Kosten: EUR 510,00/CHF 760,00, zzgl. ges. MwSt. pro Teilnehmer Termine, Agenda, Anmeldung ➔ www.cadfem.de/updatev12 Übersicht über ausgesuchte ANSYS 12. Workbench 2: Neue Architektur (Projektmanager) zur Koordination der Berechnungsaufgaben • Schematische Projektübersicht mit Funktionsblöcken zur Verknüpfung und Visualisierung des Datenflusses aller Applikationen • Integrierte Toolbox zum direkten Zugriff auf Standardberechnungen, Parametermanagment und Optimierung, sowie der Möglichkeit firmenspezifische Simulationsumgebungen bereitzustellen • Einheitliches Datenmanagement mit Archiv und Restore Funktionen • Übersichtliche und flexible Lizenzsteuerung mit Prioritätsdefinition • Überarbeiteter Engineering Data Manager mit Funktionen zur Dokumentation von Materialdatenbeständen • Engineering Knowledge Management (EKM) Schnittstelle zur einfachen Verwaltung der Simulationsdaten am Desktop Workbench Pre- und Postprocessing • Erweiterte Funktionen zum Reparieren und Vernetzen schwieriger Geometrien • Umfangreiche Kontrollmöglichkeiten zur Steuerung der Netzfeinheit in Abhängigkeit von geometrischen Modelleigenschaften • Robustes und universelles Pre- und Postprocessing für alle in Workbench verfügbaren Applikationen (Strukturmechanik, CFD und Magnetik) • Erweiterung des Postprocessings um Pfadausgaben, Elementlösungen und den direkten Zugriff auf Informationen der Ergebnisdatei • Integration von zeit- und ortsabhängigen Lasten und Randbedingungen 16 Infoplaner 01/2009 ANSYS ➔ www.cadfem.de/updatev12 .0 Neuheiten High Performance Computing (HPC) Anwendbar sowohl auf Einzelplatzrechnern (Workstation der neuesten ChipGenerationen z.B. AMD Shanghai; Intel Nehalem) – als auch auf Clustern (mit schnellem Interconnect z.B. Infiniband). • Deutlich verbessertes Load Balancing zur optimalen Auslastung der Rechenresourcen • Skalierung für alltägliche SOLID Modelle mit Kontakt und nichtlinearen Materialien um etwa Faktor 4 bei 8 Cores (PCG Solver) • Skalierung für Feldaufgaben (Magnetik) um etwa Faktor 5 bei 8 Cores (DSPARSE Solver) Im Zusammenspiel mit dem vollständig überarbeiteten Remote Solver Manager von Workbench erlauben die verbesserten Distributed Solver von ANSYS eine effiziente Berechnung von großen Modellen auch für Arbeitsgruppen. Strukturmechanik • Integration eines expliziten Gleichungslösers (ANSYS Explicit STR) für hochgradig nichtlineare Systeme (vgl. auch S. 22) • Response Spectrum Analyse in Workbench • Konsequente Einbindung von Mehrkörperanalysen in den Simulationsprozess • Modellierung von Gasket-Elementen in Workbench • Neue 2D/3D Kontaktformulierung für Dichtheitsberechnungen (Contact Fluid Pressure Penetration) • Overconstraint Check • Neuer Tetraeder für die robuste Berechnung komplexer voluminöser Bauteile mit inkompressiblem Material (von Mises Plastizität, Hyperelastizität) • Neues robustes quadratisches Schalenelement, für die Berechnung beliebiger Nichtlinearitäten • Viele hilfreiche Erweiterungen für die Definition von Kontakt, Gelenken und Randbedingungen • Unterstützung beliebiger Starrkörper für die Kontaktrechnung • Neue Materialmodelle - Chaboche ratenabhängig - Anands Viscoplastizität - Bergstroem-Boyce - Mullins Effekte für Elastomere Multiphysics • Simulation von elektrischen Potentialaufgaben • Integration von elektrisch-thermischen Kopplungen • Lastschrittunterstützung und erweiterte Source Conductor Modellierung für Magnetostatik • Bereitstellung eines neuen Edge-Elementes (SOLID236) mit echtem Volt Freiheitsgrad zur Lösung von dynamischen Feldaufgaben • Neues Sliding Mesh Interface zur Unterstützung von Berechnung bewegter Strukturen in magnetischen Felder i | Information ANSYS 12.0 Informationen & Veranstaltungen www.cadfem.de/updatev12 Infoplaner 01/2009 17 ANSYS Brückenuntersichtgeräte: Der Weg ist das Ziel Hohe Anforderungen an die strukturmechanische Berechung seiner Brückenuntersichtgeräte stellt der Hersteller MOOG. Die FEM-Lösung ANSYS Workbench hat sich bei MOOG nicht nur als ständiger Begleiter bei der Produktentwicklung bewährt, sondern auch die Zusammenarbeit zwischen Vertrieb, Konstruktion, Entwicklung sowie Fertigung optimiert. In Brücken wird viel mehr gesehen als eine ingenieurtechnische Königsdisziplin. Brücken überwinden Täler und Schluchten, verbinden Ufer und Küsten, Völker und Kulturen. Damit sie aber über lange Zeit auch ihrer verbindenden Aufgabe nachkommen können, müssen sie regelmäßig inspiziert und gewartet werden, und ✒| Autor Bernd Wiggenhauser, MOOG GmbH ! | Hinweis Dieser Beitrag ist in ähnlicher Form mit dem Titel „Über sieben Brücken“ in der Fachzeitschrift Scope (Hoppenstedt-Verlag), Ausgabe Januar 2009, erschienen. ❑ | Bilder MOOG GmbH i | Information Informationen zur MOOG GmbH www.moog-online.de Ansprechpartner ANSYS Strukturmechanik bei CADFEM Christof Gebhardt Tel. +49 (0) 80 92-70 05-65 E-Mail [email protected] 18 Infoplaner 01/2009 dies von buchstäblich allen Seiten. Dafür werden unter anderem Brückenuntersichtgeräte eingesetzt. Der weltweit führende Hersteller in diesem Bereich ist die MOOG GmbH. Die Produktpalette des Spezialisten aus Deggenhausertal in Bodensee-Nähe umfasst Platt- formgeräte, Korbgeräte, fest installierte Brückenbesichtigungswagen sowie Sonderkonstruktionen aller Art. Am Firmensitz werden die Geräte entwickelt und gebaut. Da keine Brücke wie die andere ist und jeder Kunde spezielle Anforderungen an sein Gerät hat, ist es für MOOG wichtig, schnell und flexibel auf Kundenwünsche reagieren zu können. Zwei von sechs Mitarbeitern in der Abteilung Konstruktion und Entwicklung sind daher mit Berechnung und Nachweisführung betraut. Neben dem räumlichen Stabwerksprogramm R-Stab, welches für Fachwerkstrukturen eingesetzt wird, kommt seit dem Jahr 2000 auch die FEM zum Einsatz. Seit 2007 werden die geforderten Nachweise komplizierter Strukturen mit dem Programm ANSYS Workbench durchgeführt. Volle Konzentration auf die Nachweisführung Der Einführung von ANSYS Workbench ging ein intensiver Evaluierungsprozess voraus. Dabei überzeugte die Software zu- nächst durch die drastische Vereinfachung und Beschleunigung der PreprocessingTätigkeiten. Besonders wichtig für MOOG war dabei, dass durch effiziente Möglichkeiten der Geometrievorbereitung und der weitgehend automatischen Netzerstellung mehr Zeit zur Verfügung steht, um die eigentlichen Kernaufgaben der Ingenieure, die Nachweisführung, in Angriff zu nehmen. Die benötigten Nachweise komfortabel und sauber führen zu können war eine Hauptanforderung an die Berechnungssoftware. ANSYS Workbench in der Lizenzierung Professional NLS stellt dazu alle von MOOG benötigten Funktionen bereit. Dies sind neben Berechnung von Verformungen und Spannungen der Struktur auch Berechnung von Schweißnähten, Stabilitätsuntersuchungen dünnwandiger Bauteile, die Abbildung nichtlinearer Kontakte, um nur einige zu nennen. Dünnwandige Bauteile und Schweißnähte Da ein großer Teil der von MOOG hergestellten Bauteile aus dünnen Blechen besteht, die im Normalfall mit Schalenelementen abgebildet werden, war die Modellvorbereitung mit Generierung eines Mittelflächenmodells in der Vergangenheit oftmals sehr aufwändig. Mit den in ANSYS ANSYS ! | Veranstaltungshinweis Informationstage ANSYS Strukturmechanik Statisch/dynamisch – linear/nichtlinear Workbench zur Verfügung stehenden SolidShell-Elementen konnte eine erhebliche Reduktion des Aufwands bei der Modellerstellung erzielt werden. automatisch ermittelten Kontakte zwischen den einzelnen Bauteilen werden mit einem Mausklick zu einem nichtlinearen Kontakt umgewandelt. Auch der Nachweis von Schweißnähten ist durch Auslesen der Schnittgrößen an der Kontaktstelle einfach möglich. Sollten De- Die Übergänge zwischen Fachwerkstrukturen, welche mit einem Stabwerksprogramm betrachtet und nachgewiesen wer- – implizit/explizit Ganztägige kostenfreie Veranstaltungen zur effizienten FEM-Simulation komplexer strukturmechanischer Aufgaben mit den Programmen ANSYS und LS-DYNA Agenda • FEM-Theorie - FEM-Methode, Nichtlinearitäten - Implizite und explizite Lösungsverfahren • Material - Materialmodelle, Schädigung, Materialversagen - Betriebsfestigkeit - Composites - Simulationsbasiertes Materialdesign • Statik - Schrauben, Dichtungen & Kontakt - Lineares und nichtlineares Beulen - Traglast tailbereiche genauer untersucht werden, steht mit der Submodelltechnik ein geeignetes Werkzeug zur Verfügung. In diesen Submodellen ist es möglich, das Netz lokal in ausgewählten Teilbereichen weiter zu verfeinern oder auch Schweißnähte zu modellieren, um in hochbeanspruchten Bereichen genaue Aussagen treffen zu können. Nichtlineare Kontakte Um im Transport auf dem Lkw mit dem Brückenuntersichtsgerät die erlaubten Abmaße nicht zu überschreiten und dennoch im Einsatz breite Geh- und Radwege sowie hohe Lärmschutzwände übergreifen zu können, sind viele Geräte mit teleskopierbaren Bauteilen ausgerüstet. Zur Berechnung der Kräfte, die in den einzelnen Laststellungen auf die Führungen wirken, ist es wichtig, nichtlineare Kontakte möglichst sauber abbilden zu können. Hier bietet ANSYS Professional NLS unter anderem den rauen, reibungsfreien und reibungsbehafteten Kontakt. Die von Workbench den können, und Strukturen die die Betrachtung mittels FEM erforderlich machen, verlaufen bei MOOG oftmals innerhalb eines Bauteils. Dieser Schwierigkeit kann in Workbench durch die Kopplung von Balkenelementen mit finiten Elementen begegnet werden. So können Stabmodelle generiert werden, die als Hilfskonstruktion zur steifigkeitstechnisch richtigen Aufbringung der Lasten dienen. - Metallumformung, Massivumformung • Dynamik im Frequenzbereich - Modalanalyse, angeregte Schwingungen - Rotordynamik • Transiente Dynamik - Mehrkörpersimulation - Crash, Falltest - Detonation, Hypervelocity Impact • Produkte - Arbeitsprozess Die enge Zusammenarbeit zwischen Vertrieb, Konstruktion und Entwicklung sowie Fertigung ermöglicht es MOOG, neue Ideen und Kundenwünsche schnell in das Produkt einfließen zu lassen. Dank ANSYS Workbench kann dies nun noch schneller erfolgen. Das Resultat ist ein sicherer Einsatz über die gesamte Lebensdauer bei möglichst geringem Gewicht, die Reduzierung von späten und damit teuren Bauteiländerungen und vor allem zufriedene Kunden, die ihr Gerät termingerecht erhalten und damit sicher und wirtschaftlich << arbeiten können. - Randbedingungen - Vernetzung - Optimierung, Produktkonfiguration • Fragen und Diskussion Termine 12. Mai 2009 in Hamburg 13. Mai 2009 in Stuttgart 26. Mai 2009 in München 09. Juni 2009 in Hannover 16. Juni 2009 in Dortmund Information und Anmeldung www.cadfem.de/infotage Infoplaner 01/2009 19 ANSYS Earthquake Related Deformation in Chile This study focuses on the present-day deformation mechanisms of the south-central Chile margin. This plate tectonic margin has been the locus of several great subduction earthquakes in past centuries. The giant 1960 Valdivia event was the largest earthquake ever recorded instrumentally. ANSYS is used to understand and explain the present-day deformation of the Earth‘s surface that we observed with geodetic methods. fault zones and 10 km in the rest of the upper crust, whereas in the oceanic crust and mantle it is 10 and 50 km, respectively (Fig. 1). The models consist of an elastic upper plate, an elastic subducting plate, and a viscoelastic mantle. The mantle viscosity is initially set to 4. x 1019 Pa s. The observed deformation is modeled as: 1. Coseismic deformation (during the earthquake) Elastic coseismic deformation is implemented using the Fig. 1: 3-D finite element model setup. Green, blue and orange elements represent the split-node technique continental and oceanic lithosphere and the mantle, respectively. Extracted portion of the [Melosh and Raefsky, mesh show details of the Santa Maria fault. 1981]. It simulates the double-couple acting on the fault. Fig. 2 Contemporary deformation along active schematically shows the applied boundary subduction margins primarily responds to conditions on the coseismic modeling. Each the phases of the earthquake cycle [e.g., node on the contact faces is duplicated. Thatcher and Rundle, 1979]. It is a tranRed and black nodes, which are part of the sient and repetitive process conditioned by oceanic and continental plates, are initialthe mechanical coupling between the continental and oceanic plates. During the interseismic phase, high coupling between both plates results in the accumulation of contractional strain that is suddenly released as an earthquake. Coseismic rupture may be followed by aseismic slip and/or by prolonged postseismic deformation due to viscoelastic relaxation of the mantle. The observed surface displacements were modeled with classical ANSYS 11.0. The spherical models are composed of 10-node tetrahedral-shaped elements and are constrained by kinematic boundary conditions. Element size is between 1 and 5 km in the 20 Infoplaner 01/2009 Fig. 2: Schematic illustration of the boundary condition applied on the fault plane. Red and black nodes belong to the oceanic and continental part of the interface, respectively. Arrows depict the constraints that simulate the double-couple acting on the fault. ly located at the same coordinates. The seismogenic part of the interface is represented by the rupture and transition areas. In the rupture zone uniform coseismic slip is defined. This zone is surrounded by the transition zone that extends 10 km vertically below the rupture zone. The slip tapers linearly to zero also to the north and south of the rupture zone. Lateral transitions width is set to 50 km from the full slip zone. Outside of the transition zone, pair of nodes on the interface is coupled. We introduced the coseismic slip to each pair of nodes in the interplate using linear constraint equations. Nodes are forced to remain on the fault and consequently can only slide along the interface. 2. Postseismic deformation (after the earthquake) The coseismic slip changes the stress state of the subduction system suddenly and induces a postseismic response due to rheological properties of the lithosphere. During a megaearthquake the mantle resist the rapid elastic seaward motion of the forearc, accumulating large stress. This stress relaxes and decreases with time and may cause several decades of trench oriented deformation. A generalized Maxwell model is used to represent the viscoelastic material response of the Earth‘s mantle. The functions are represented in term of Prony series expansion for the shear and bulk modulus. Two primary factors influence the viscoelastic deformation over time: the coseismic slip distribution and the viscosity of the mantle. The viscosity directly controls the relaxation time and hence determines how fast the stress decays. To model the postseismic deformation we first applied an instantaneous load step solving the coseismic rupture. Next, the nodes on the interface are set free and a new load step is computed for time step T, which is equivalent to the period after the earthquake. ANSYS Our study suggests that crustal-scale faults rooted in the interplate seismogenic zone may affect the surface deformation field during the earthquake cycle. We propose that these structures may release part of the contractional strain that accumulates during interseismic locking of the megathrust. Thus, active faults rooted in the plate interface should be considered when inverting geodetic data to constrain locking depths of the seismogenic zone. FEM plays a major role in our efforts to understand the nature of earthquakes and to estimate << the related risk. ✒| Authors Marcos Moreno, Jürgen Klotz, Helmholtz-Zentrum Potsdam, Germany, Section 1.1 GPS/Galileo-Technology ▲ 4. Crustal fault effect An important part of our work is the introduction of the effect of crustal faults – namely the Santa Maria fault – on the interseismic model. The Santa Maria fault is modeled as a blind fault which extends from the interplate zone to a depth of 2 km (Fig. 2). The fault plane is introduced by contact-target surface elements. Following the split-node fault technique, we define the fault as two planes with identical distribution of nodes. Constraint equations are applied to introduce the slip rate on the fault. Contact-target elements obey the Coulomb friction criteria; surfaces can accumulate shear stresses up to a certain magnitude before they start sliding. The contact algorithms use the penalty stiffness method, with a contact option for closed gap, Fig. 3: Up- and downdip depth limits of the couple zone between 36°– 45° penetration reduction, excluS. Below the downdip limit, a 10-km linear transition from fully-coupled to sion of initial geometrical effect zero slip was applied and no separation. Then, contact elements are prevented from peneted from plate kinematics along strike of trating the target surface but allow to slide the plate interface. Next, we introduced along the fault. the calculated vectors to each pair of nodes in the interpolated locked zone using linear Our modeling results show a wider coupconstraint equations. The procedure is led zone in the northern domain and a similar to the coseismic simulation. narrow zone in the south (Fig. 3). Postseismic model results infer mantle viscosities of 3.5 x 1019 Pa s. Expected patterns of vertical and horizontal deformation 45 years after the earthquake are well simulated. Residuals velocities obtained by subtracting the predicted interseismic and postseismic signals from the GPS velocities vectors have an average of 8 mm/yr. The Santa Maria fault model indicates a dextral strikeslip rate of 6.9 mm/yr, and a reverse dip slip rate of 2.8 mm/yr. The fault shows a friction coefficient of 0.6. Velocity residuals at the northern edge of the 1960 earthquake rupture zone can be explained by rigid block rotation (Fig. 4). We preFig. 4: Final residuals obtained by subtracting the modeled deformation dict 5 – 7 mm/yr of lateral sur(caused by interseismic and postseismic signals, effects of the Santa Maria face displacements across the fault, and rigid block rotation) from the observed deformation. Open circle Lanalhue fault. at 39.2° S, 73.6° W show the Euler pole of rotation. 3. Interseismic Deformation (between the earthquakes) Interseismic deformation is simulated using the back-slip method [Savage, 1983]. In this approach a virtual slip in a reverse sense to the plate motion is imposed on the fault interplate. The amount of plate convergence during one year (6.6 cm) is imposed as the backslip, using the vectors estima- | References Moreno, M., Klotz, J., Melnick, D., Echtler, H., Bataille, K. (2008) Active faulting and heterogeneous deformation across a megathrust segment boundary from GPS data, south-central Chile (36-39? S), Geochemistry Geophysics Geosystems, Vol. 9, No. 12. Melosh, H. J., and A. Raefsky (1981), A simple and efficient method for introducing faults into finite element computations, Bull. Seismol. Soc. Am., 71 (5), 139121400. Savage, J. (1983), A dislocation model of strain accumulation and release at a subduction zone, J. Geophys. Res., 88(B6), 4984?4996. Thatcher, W. and J. Rundle (1979), A model for the earthquake cycle in underthrust zones., J. Geophys. Res., 84 (B10), 554025556. ❑ | Pictures Helmholtz-Zentrum Potsdam, Germany i | Information www.gfz-potsdam.de Infoplaner 01/2009 21 Explizite Strukturmechanik NEU! ANSYS Explicit Solution Für die Simulation hochgradig dynamischer und nichtlinearer Vorgänge hat ANSYS mit der Version 12 die mächtigen Solver der Programme LS-DYNA und ANSYS AUTODYN in die Workbench Umgebung integriert. LS-DYNA in der Workbench: Crimpen einer Steckverbindung (Quelle: TYCO Electronics) Eine der wichtigsten Neuheiten in ANSYS 12.0 ist die vollständige Integration der expliziten Solver LS-DYNA und ANSYS AUTODYN in die ANSYS Workbench. Damit erweitert sich das Spektrum der Workbench-Umgebung um häufige Anwendungen der expliziten Strukturmechanik, insbesondere Falltests und Materialversagen. Während das Programm AUTODYN durch die Akquisition des Entwicklers Century Dynamics durch ANSYS, Inc. seit dem Jahr 2005 ein fester Bestandteil der ANSYS Produktfamilie ist, ist LS-DYNA ein Produkt der unabhängigen Livermore Software Technology Corporation (LSTC). Sowohl ANSYS, Inc. als auch CADFEM können auf eine langjährige enge Zusammenarbeit mit LSTC zurückblicken, die auch zukünftig durch engen Kontakt der Mitarbeiter und langfristige Vereinbarungen gesichert ist. Die für ANSYS v11 zur Verfügung stehende Schnittstelle von LS-DYNA und Workbench, die von CADFEM entwickelt wurde, wird damit abgelöst. Warum explizit? Speziell wenn es darum geht, schnell ablaufende Vorgänge zu berechnen, bei denen hohe Frequenzen (z.B. Stöße) angeregt werden, ist ein expliziter FE-Code einem impliziten häufig überlegen. Explizite strukturmechanische FE-Codes sind also ein besonders leistungsfähiges Werkzeug im Bereich der nichtlinearen Kurzzeitdynamik. Bei Kontaktsituationen mit großen Verformungen, aber auch bei quasistatischen Vorgängen wie nichtlinearem Implizite vs. Explizite Zeitintegration Implizite Methode • Modalanalysen, lineare/nichtlineare Statik, lineare/nichtlineare Dynamik • Beliebig große Zeitschrittweite (abhängig vom Konvergenzverhalten) • Gleichgewichtsiteration • Rechenzeit primär abhängig von Anzahl der Freiheitsgrade und dem Grad der Nichtlinearität Explizite Methode • Ausschließlich hochgradig nichtline are, transient dynamische Analysen (z.B. Crash, Falltest, Umformung) • Kritischer Zeitschritt, abhängig von Stabilitätskriterium, u.a. Einfluss der Vernetzung • Keine Gleichgewichtsiteration • Rechenzeit primär abhängig von Größe des kritischen Zeitschritts sowie der Größe des Zeitfensters Beulen oder Materialversagen, hat eine durchgehende Kette „implizit – explizit“ wesentliche Vorteile. Standalone LS-DYNA und ANSYS AUTODYN werden für Spezialanwendungen weiterhin auch als standalone Lösungen angeboten und von CADFEM mit sämtlichen produktbegleitenden Dienstleistungen kompetent un<< terstützt (vgl. nächste Seite). ANSYS Explicit STR • Neues Produkt, verfügbar ab ANSYS 12.0 • Integrierter expliziter Solver • LS-DYNA standalone Export • AUTODYN Export • Explizite Berechnung in Workbench für hochgradig nichtlineare Vorgänge - Falltest - Impakt • Direkter Zugriff auf Materialdatenbank, Vernetzungstechnologie, Kontaktdefinitionen und CADSchnittstellen von Workbench • Direkte Kopplung mit anderen Workbench-Tools | Zusatzinformation | 22 Infoplaner 01/2009 Explizite Strukturmechanik LS-DYNA und ANSYS AUTODYN Seit über 20 Jahren bietet CADFEM das explizite Berechnungsprogramm LS-DYNA als standalone Lösung an. Ein langfristiger Vertrag mit dem Hersteller LSTC und das erfahrene LS-DYNA Team mit seinem engen Kontakt zu den Entwicklern gewährleisten, dass LS-DYNA Anwender bei CADFEM in besten Händen sind. Ebenfalls „aus einer Hand“ erhalten Berechnungsingenieure bei CADFEM die Verbindung von LS-DYNA mit dem Programm zur Optimierung und Robustheitsbewertung optiSLang sowie zu DIGIMAT, einer innovativen Lösung im Bereich des Werkstoffdesign (siehe S. 46). Desweiteren engagiert sich CADFEM weiterhin in Spezialanwendungen von LS-DYNA standalone, z.B. der Sitzberechnung oder der Weiterentwicklung der LSTC-Dummy-Modelle. LS-DYNA ist ein Produkt der Livermore Software Technology Corp. (LSTC) mit Sitz in Livermore, Kalifornien. Mit LSTC verbindet CADFEM eine langjährige Zusammenarbeit: Bereits seit 1987 vertreibt CADFEM die Produkte von LSTC – neben LS-DYNA das Optimierungstool LS-OPT und der Preund Postprocessor LS-PrePost – und erbringt sämtliche produktbegleitenden Dienstleistungen, u.a. Schulung, Support, Consulting- und Entwicklung. Die Hauptanwendungsgebiete von LS-DYNA in der standalone Version sind die Simulation von Crash- sowie Metallumformvorgängen. In der Fahrzeugindustrie wird LS-DYNA außer für Gesamtfahrzeugcrashs intensiv für die detaillierte Berechnung sicherheitsrelevanter Komponenten, der aktiven und passiven Fahrzeugsicherheit sowie des Insassen- und Fußgängerschutzes eingesetzt. LS-DYNA „à la carte“ Zu den Stärken von CADFEM gehört, dass dem Kunden fundierte LS-DYNA Kompetenz von erfahrenen Spezialisten angeboten wird, und dies in Kombination mit dem Know-how zu Software-Produkten, die LS-DYNA exzellent ergänzen. An erster Stelle ist hier natürlich das enorme Spektrum der ANSYS Programmfamilie zu nennen, auf das durch die Integration von LS-DYNA in die W orkbench mittels ANSYS Explicit ohne Umwege zugegriffen werden kann. ! | Veranstaltungshinweise Seminar Einführung in LS-DYNA 6. – 8. Mai 2009 in Hannover 22. – 24. Juli 2009 in Stuttgart 21. – 23. Oktober 2009 in Grafing b. München 8. – 10. Dezember 2009 in Hannover Seminar Crash-Berechnung mit LS-DYNA ANSYS AUTODYN Wie LS-DYNA ist auch ANSYS AUTODYN ein expliziter FE-Code, der sowohl integriert in Workbench als auch standalone angeboten wird. Die besonderen Stärken von AUTODYN liegen in der Berechnung von Detonationen, Druckwellen, High Velocity Impact und anderen hochdynamischen Vorgängen, bei denen Festkörper, Flüssigkeiten und Gase miteinander interagieren. Neben einem Einsatz bei Entwicklungen von militärischen Systemen dient die Auslegung mit AUTODYN dem Erzielen von größtmöglicher Sicherheit, z.B. bei Fassaden, << Glasscheiben und im Anlagenbau. 5. – 8. Mai 2009 in Stuttgart 24. – 27. November 2009 in Grafing b. München Seminar Optimierung und Robustes Design mit optiSLang und LS-DYNA 28 – 30. April 2009 in Stuttgart Seminar Einführung in die explizite Dynamik mit ANSYS AUTODYN 13. – 15. Mai 2009 in Hannover Detaillierte Informationen zu diesen und weiteren Seminaren: www.cadfem.de/seminare 7. Europäische LS-DYNA Conference 14. – 15. Mai 2009 in Salzburg www.dynamore.de/conferences CADFEM unterstützt die diesjährige europäische LS-DYNA Conference als Gold Sponsor. Am Stand von CADFEM werden LS-DYNA und ausgesuchte komplementäre Lösungen für die Bereiche Optimierung/ Robustheitsbewertung (optiSLang) und Materialdesign (DIGIMAT) sowie die Integration von LS-DYNA in ANSYS Workbench vorgestellt. | Zusatzinformation | i | Information Ansprechpartner Explizit Dr.-Ing. Matthias Hörmann Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41 E-Mail [email protected] Anwenderbeiträge zu LS-DYNA S. 24/25: LS-DYNA in der Etikettiertechnik von PET-Flaschen S. 50 – 52: Eigenschaftsbestimmung zellulärer Wabenkernstrukturen mit LS-DYNA bei EADS Infoplaner 01/2009 23 Explizite Strukturmechanik Deformation Behaviour Analysis of PET Bottles in a High Speed Labeller This article describes an explicit LS-DYNA analysis of the deformation behaviour of filled and capped PET bottles in the high-speed labeller. The increasing use of PET bottles has been and continues to be a dramatic growth story in the packaging industry. Increasing use means an increase in demand, and the need for saving time in the process chain of the packaging industry. One area where a high-speed process is possible is labelling. State-of-the-art labellers are capable of labelling 60,000 and more containers per hour. ment parameters so as to obtain an optimised parameter set. This set, when used in the quasi-static buckling analysis, yielded a nice fit of the pre- and post-buckling behaviours with the test data (Fig. 2), thus validating the reliability of the optimised parameter set. The moderate diffe- lume (CV), Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) methods were evaluated in LS-DYNA for ease of implementation, computation effort, and most importantly, to accurately simulate the liquid physics involved. Studies performed on these Fig. 2: Structural Response of Empty Bottle Fig. 3: Structural Response of Filled Bottle rences observed in the load-displacement curves is mainly due to the use of a simple material model (*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY) in LS-DYNA, which does not cover the complex behaviour of PET material in reality. three approaches have shown the following: However, in higher labeller output ranges, PET bottles are subjected to undesirable deformations, due to their lower Young's Modulus and much thinner walls as compared to glass bottles. For a particular machine speed, information on the deformation behaviour during the early stages of machine planning will be useful. To obtain this detail, the explicit FEM software LS-DYNA was used for this project. Objective and tasks The sequence of steps carried out is • top-load simulation and verification of the empty PET bottle: to obtain a reliable empty PET bottle model • top-load simulation and verification of the filled PET bottle: to obtain a reliable filled PET bottle model • process simulation of the filled PET bottle in the high-speed labeller: to inspect the deformation behaviour of the PET bottle Quasi-static buckling analysis of the empty bottle Prior to the quasi-static buckling analysis, sensitivity studies were carried out with respect to material, geometry and finite ele- 24 Infoplaner 01/2009 Type 16 (fully integrated) shell elements with proper warpage treatment were preferred to Type 2 (reduced integrated) shell elements so as to avoid non-physical initialization of buckling. Quasi-static buckling analysis of the filled bottle Having now obtained a reliable empty bottle, presence of water and air along with its physics (compressibility, inertia and hydrostatic pressure) need to be accounted for a filled bottle. Control Vo- • CV approach: the simplest, most accurate and computationally least expensive method to account for the compressibility effect. Since the mass of the liquid cannot be modelled with this approach, inertial effects cannot be accounted for. • SPH approach: this accounts for the inertial effects, but fails to account for the compressibility effect accurately, due to a non-realistic gap between the walls of the bottle and water (SPH particles). In addition, modelling of both air and water with SPH is infeasible. • ALE approach: computationally the most expensive. The existence of potential leak- Explizite Strukturmechanik age problems and the extreme sensitivity of a parameter (PFAC) to fluid-structure coupling lead to an unreliable result. Since fluid compressibility is the most important effect for predicting the correct buckling load in a quasi-static buckling analysis, the CV approach is considered for top-load simulation of the filled bottle. The initial slope and the buckling load fit in nicely with the test results (Fig. 3). Also the post-buckling shape of the filled bottle from simulation resembles the test (Fig. 3). The post-buckling regime is influenced mostly by the missing inertial effects in the CV approach. approach where the bottle is physically moved in reality, and the load-body approach where an imaginary observer is sitting on top of the bottle and inertial loads are calculated and applied on a motionless bottle) were each evaluated. Since in reality liquid (SPH particles) inside a rotating bottle experiences inertial forces only after a certain amount of time once it also starts rotating, the full-rotation approach was preferred to the load-body approach in order to account for this effect naturally. Fig. 5: Deformation of the bottle body in mm Process simulation in the labeller tomer to obtain any test data about the deformation behaviour of the bottle concerned. However, for any machine to be termed reliable it has to fulfil certain requirements, which serve as a means for validating the simulation results. The major requirements that need to be met are as follows: Since the inertial forces acting on the bottle are governed mainly by the mass of the water, idealisation of water with SPH particles was considered so as to accurately account for the inertial effects of water. Moreover CVs for both air and water were retained in the model setup (Fig. 4) to account accurately for the compressibility effects of air and water respectively. << As the time taken for a single bottle to undergo such a fast and dynamic process is only 803 ms, it was very hard for the cus- Fig. 4: Model setup for process simulation The goal of process simulation is not to check the bottle labelling procedure, but to predict the deformation behaviour of the bottle due to the inertial forces involved (centrifugal and coriolis). The bottle experiences these forces due to the two kinds of rotation (with respect to the table and with respect to itself) during the labelling process. normally expected due to the outward movement of the particles once the bottle starts to rotate with the table (Fig. 6). • the bottle should not be thrown out of the labeller (i.e. machine usage guaranteed). • the bottle is not allowed to buckle at any point in time within the labeller (i.e. usability of the bottle is guaranteed). • permissible lateral deformation (Fig. 5) of the bottle for proper label location is very small (i.e. promotion of brand quality guaranteed). Fig. 6: Movement of SPH particles in the bottle (body hidden) ✒| Author Bharat Chittepu, CADFEM Engineering Services India Pvt. Ltd. www.cadfem.in i | Information Contact Dr.-Ing. Matthias Hörmann, CADFEM GmbH Concerning the kinematics, or how the two rotations are described (the full-rotation In addition, SPH particles represent an inclined free surface of the liquid, which is Phone +49 (0) 80 92-70 05-41 E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 25 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik: Innovation durch Simulation mit ANSYS Die Integration von Elektromechanik und Elektronik zur Mechatronik führt auch in der Simulation zu neuen Herausforderungen. Neben der Elektromagnetik, dem thermischen Management und der optimierten Auslegung elektromechanischer Bauteile kommt gerade dem Zusammenspiel aller Komponenten im mechatronischen System besondere Bedeutung zu. ANSYS bietet dafür die Simulationswerkzeuge, deren Spektrum durch die Akquisition von Ansoft gezielt ausgebaut wurde. Steigende Komplexität und Packungsdichte einerseits und Forderungen nach geringeren Kosten, Größe, Gewicht und Energieverbrauch andererseits kennzeichnen die heutigen Produkte der Elektronik. Für den Entwicklungsprozess bedeutet dies, dass eine Vielzahl zusätzlicher Effekte einbezogen werden muss. Thermomechanik Thermische und thermomechanische Belastungen sowie Vibrationen bestimmen maßgeblich die Zuverlässigkeit kompakter elektronischer Systeme. Sie zu beherrschen ✒| Autoren und Ansprechpartner Udo Killat, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-23 E-Mail [email protected] Olaf Hädrich, Ansoft Corp. Deutschland Tel. +49 (0) 89-68 08 62-48 ist heute eine ähnlich große Herausforderung wie die Gestaltung von Kühlprozessen, die den Einflüssen physikalischer Vorgänge wie Wärmeleitung, freie oder erzwungene Konvektion und Strahlung unterliegen. Auch die Leistungselektronik von elektrischen Antrieben (z.B. bei HybridAutos) setzt elektrisch-thermische Analysen voraus, in denen u.a. die Stromwärme in Leiterzügen (Trace Heating) zu berücksichtigen ist. Elektromagnetik Elektromagnetische Effekte müssen berücksichtigt werden, um die elektrische Funktionsfähigkeit von elektronischen Systemen zu gewährleisten. Ein größerer Datendurchsatz und steigende Signalraten führen zu störenden elektromagnetischen Einflüssen zwischen den Konnektoren, Leiterbahnen und Kontaktierungen einer Leiterplatte, die unerwünschte parasitäre Eigenschaften und Wechselwirkungen zwischen den Bauelementen zur Folge haben. also kaum getrennt voneinander analysiert werden. Eine der großen Stärken des ANSYS-Portfolios ist, dass beide Effekte und insbesondere die entstehenden Wechselwirkungen detailliert simuliert werden können. Elektrische Antriebe Die Beherrschung von Thermomechanik und Elektromagnetik ist die Voraussetzung für die Analyse elektrischer Antriebe. Basis für die Optimierung eines elektrischen Antriebes ist die Auslegung des magnetischen Kreises. Je nach notwendiger Analysetiefe umfaßt die Bandbreite der angebotenen Verfahren analytische Methoden, statische und dynamische 2D-FEM-Simulationen, und reicht bis hin zu den transienten dynamischen 3D-Analysen, die weiterführende Aussagen erlauben. Daraus werden charakteristische Größen wie z.B. Verluste oder dynamische lokale Kräfte als Basis für nachfolgende thermische und akustische Simulationen berechnet. E-Mail: [email protected] i | Informationen zu Ansoft www.ansoft.com ! | Veranstaltungshinweis CADFEM und Ansoft stellen gemeinsam aus. Besuchen Sie uns in Halle 12, Stand 516 i | Information Der unmittelbare Zusammenhang unterschiedlicher Effekte wird z.B. dadurch deutlich, dass die Basis für Aussagen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch die Analyse der Signal- und Leistungsintegrität (SI/PI) geschaffen wird. Datenraten im GHz-Bereich wiederum können zu extrem schnellen Schaltvorgängen und damit höheren Schaltverlusten führen, so dass eine Optimierung des thermischen Managements unumgänglich wird. Positionsänderungen elektronischer Bauelemente auf der Leiterplatte beeinflussen einerseits deren Temperatur sowie aufgrund des veränderten Layouts auch die Signalintegrität. Weitere Beiträge zum Thema Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik auf den Seiten 28 – 43 26 Infoplaner 01/2009 Thermische und elektromagnetische Effekte in elektronischen Systemen können FEM-gestützte Modellierung allein ist aber nicht ausreichend. Gewünscht ist eine ganzheitliche Betrachtung von Systemen unter Berücksichtigung der Wechselwirkung von elektromagnetischen Komponenten, elektronischen Schaltungen und digitalen Steuerungen unter äußerer Last. Die Verbindung von Systemen unterschiedlicher physikalisch-technologischer Art, also die Kombination von detaillierten 2D/3D-FEM-Modellen mit 1D-Systemsimulatoren, erlaubt die frühzeitige Erkennung der Kompatibilität von Systemkomponenten mit dem Gesamtsystem bzw. der Teil<< systeme untereinander. Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik GPS-Antenne mit Elektronik und Richtdiagramm Avionk-Box – Verformung infolge Schwingung Stromdichteverteilung einer Asynchronmaschine ANSYS Produkte für die Simulation in der Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik ANSYS Icepak ist die vertikale Applikation für das thermische Management elektronischer Geräte. Mit der Version 12 werden die Funktionalitäten von Icechip (Packageanalyse) und Iceboard (PCB-Analyse) in Icepak verfügbar. Icepak deckt damit den gesamten Bereich von der thermischen Charakterisierung von Halbleiterbauelementen, der elektrisch-thermischen Analyse von Leiterplatten und der Kühlungsanalyse kompletter elektronischer Geräte ab. Über ANSYS Workbench kann ANSYS Icepak nun noch enger in Verbindung mit den struktur- und strömungsmechanischen Werkzeugen genutzt werden. ANSYS Mechanical/EMAG und Ansoft Maxwell sind elektromagnetische Feldsimulatoren für vorrangig niederfrequente Anwendungen zur Analyse von 2D- oder 3D-Strukturen. Maxwell ist besonders auf die elektromagnetische Analyse von Elektromaschinen und Elektromagneten mit Ankerbewegung, Transformatoren, Sensoren u. dgl. m. zugeschnitten. ANSYS Mechanical/EMAG bietet erweiterte Möglichkeiten bei gekoppelten Anwendungen und wird in der Version 12 alle bislang auf ANSYS Multiphysics beschränkten Features (z.B. 22x – und ROM-Elemente) zur Simulation in der Elektromechanik enthalten. Ansoft HFSS (High Frequency Structure Simulator) ist ein elektromagnetischer „Full-Wave“-Feldsimulator für hochfrequente Anwendungen zur Analyse von 3D-Strukturen. Solche finden sich z.B. in Sendern und Empfängern von Kommunikations- und Radarsystemen, in Satelliten und Mobiltelefonen, Hochleistungsrechnern, Motherboards, Massenspeichern, Unterhaltungselektronik. Ansoft Designer beinhaltet den Schaltungssimulator Nexxim für das immer komplexere, nichtlineare Verhalten von HF-Schaltungen. Mit integrierter Schaltplaneingabe werden die Schaltungssimulation mit HFSS und anderen Feldsimulatoren verbunden. Ansoft SIwave analysiert komplexe Leiterplatten und IC hinsichtlich der Signal- und Powerintegrität. Eine Kopplung zu den ANSYS-Werkzeugen zur thermischen Simulation wird die Einbeziehung der Verlustleistung auf nichtelektrische Effekte wie Wärmetransport und Thermomechanik erlauben. Ansoft Q3D Extractor simuliert sehr effizient die elektromagnetische Feldverteilung zur Extraktion von Ersatzwiderstands-, Induktivitäts-, Leitwerts- und Kapazitätsparametern (RLCG) von elektromagnetisch gekoppelten 2D- und 3D-Strukturen. Damit lassen sich sehr genau parametrierte Modelle von z..B. Leiterplatten, Packages und Sammelschienen für eine Simplorer-Systemsimulation auf Knopfdruck generieren. Ansoft TPA (Turbo Package Analyzer) automatisiert die Analyse komplexer Packages. Konzentrierte und verteilte Ersatzwiderstands-, Induktivitäts- und Kapazitätsmodelle werden erzeugt. Ansoft Simplorer ist das Tool zur Multidomain-Simulation, besonders zur Entwicklung komplexer leistungselektronischer, Antriebs- und anderer Systeme. Durch die umfangreiche und erweiterbare Modellbibliothek (z.B. durch VHDL-AMS Modelle aus Mechanik, Magnetik, Hydraulik, Pneumatik, Thermik) lässt sich die Brücke über unterschiedlichste Physik schlagen. Ansoft RMxprt dient zur analytischen Auslegung und Optimierung rotierender elektrischer Maschinen, sowie zur Erzeugung von geometriebasierten parametrischen Motormodellen für Simplorer und Maxwell. Ansoft PExprt erlaubt die schnelle Auslegung und Optimierung von Transformatoren und Induktoren besonders in leistungselektronischen Anwendungen. | Zusatzinformation | Infoplaner 01/2009 27 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik CADFEM Consulting-Projekt Untersuchung des Geräuschverhaltens eines E-Motors Elektromagnetische, strukturdynamische und akustische 3D-Simulation eines Asynchronmotors mit schräg verlaufenden Läufernuten Aufgabenstellung Der Einphasenwechselstrommotor der Firma Elektromotorenwerk Grünhain mit schräg verlaufenden Läufernuten wird für verschiedene Verwendungszwecke eingesetzt. Die Marktanforderungen verlangen ein leises Betriebsgeräusch. Durch eine Kopplung von elektromechanischer, strukturdynamischer und akustischer Analyse soll das Geräuschverhalten simuliert werden, um Modifikationsvorschläge zu erarbeiten. Lösung Zur Ermittlung der Magnetkräfte wird ein 3D-Simulationsmodell mit schrägen Läufernuten erzeugt. In einer transienten Elektromagnetiksimulation wird die Ausbildung des Magnetfeldes in der drehenden Maschine berechnet. Die am Innenradius des Ständers wirkenden magnetischen Wech- i selkräfte werden zeit- und ortsabhängig gespeichert. Nach der Transformation der Kräfte in den Frequenzbereich dienen diese als Input für die sich anschließende Frequenzganganalyse und werden dazu auf das strukturdynamische FE-Modell aufgebracht. Die erhaltenen Oberflächenschwingungen der schallabstrahlenden Gehäuseteile können mittels der Makrobibliothek SBSound für ANSYS ausgegeben werden. Zudem ist der Körperschallpegel über den gesamten Frequenzbereich darstellbar. Mit Hilfe des Akustiktools WAON lässt sich auf Basis der FMBEM (Fast Multipole Boundary Element Method) weiterhin die Luftschallausbreitung auf beliebig weit vom Elektromotor entfernten Netzen darstellen. Somit können räumliche Schalldruckverteilungen oder Schallleistungsfrequenzgänge simuliert werden. Flussdichteverteilung des Läuferblechpakets | Information Ansprechpartner Deutschland Dr.-Ing. Marold Moosrainer Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45 E-Mail [email protected] Oder via CADFEM CAE-Line Nutzen für den Kunden • Ausschöpfen des Geräuschminderungspotentials • Konkrete Konstruktionsverbesserungsvorschläge • Optimierung der elektromagnetischen Wechselwirkungen im Motor Tel. +49 (0) 800-6 64 87 58 E-Mail [email protected] Schweiz Philipp Huber Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06 E-Mail [email protected] Österreich Christoph Schlegel Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12 E-Mail [email protected] 28 Weitere Informationen: Schallleistungsspektrum und Schalldruckpegelverteilung rund um www.cadfem.de/consulting den E-Motor Infoplaner 01/2009 Einphasenwechselstrommotor Bilder Elektomotoren: Mit freundlicher Genehmigung der Elektromotorenwerk Grünhain GmbH & Co.KG Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Elektronik – Elektromechanik – Mechatronik Informationstage Multiphysik Kostenfreie Veranstaltungen zur effizienten FEM-Simulation verschiedener Aufgaben aus den Bereichen Elektronikkühlung, Thermisches Management, Thermomechanik und Elektromagnetik mit ANSYS. Produkte der Elektronik und Mechatronik werden zunehmend komplexer. Mit dem permanent wachsenden Leistungsvermögen der Bauelemente in der Elektronik, bei gleichzeitig zunehmender Volumenkonzentration in Gehäusen, steigen auch die Anforderungen an das Wärmemanagement der Produkte. Um den Planungs- und Entwicklungsprozess komplexer Systeme effizient zu gestalten, kommt heute Simulationswerkzeugen eine wichtige Rolle zu. ANSYS für die Berechnung thermischer, mechanischer und elektromagnetischer Phänomene hat sich fest im Markt etabliert. Dieser technische Informationstag gibt Entwicklern aus der Elektro- und Elektronikindustrie einen Überblick über das Simulationsspektrum von ANSYS. Die Veranstaltung rückt die besonderen Anforderungen dieser Branche in den Mittelpunkt. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei im Bereich der Elektronikkühlung auf dem Thermischen Management. Der Nachweis der Zuverlässigkeit von Elektronik-Komponenten wird erläutert. Daneben werden strukturmechanische, elektromagnetische und strömungsmechanischen Anwendungen – inklusive der Kopplung verschiedener physikalischer Phänomene – behandelt. An praktischen Beispielen mit Live-Demonstrationen der Software, werden die Vorgehensweise und die Möglichkeiten der Simulation im Entwicklungsprozess gezeigt. i Inhalte • Elektronikkühlung – Thermisches Management - Überblick - Thermische Modelle von IC's für Kühlungssimulationen - Die Leiterplatte als Komponente zur Wärmeübertragung - Kühlungssimulation von komplexen Geräten – Simulationsablauf - Aspekte des Thermischen Managements - Erweiterte Kühlungsmethoden Software Live-Demonstration - Arbeitsablauf einer ElektronikkühlungSimulation - MCAD Import und Aufbereitung - Layout import (ECAD) • Simulation in der Elektromechanik - Magnetische Auslegung von Aktuatoren und Sensoren - Leiterplatten: Mechanische Abbildung (Laminatmodell), Signal- und PowerIntegrität (SI/PI) - Stecker – Mechanik (Belastung, Einsteckkraft), Elektrisch-Thermische Auslegung, Übertragungsverhalten - Schalter und dünnwandige Bauteile (Knicken, Beulen) - Mechatronische Systeme Software Live-Demonstration - Arbeitsablauf einer ElektromechanikSimulation • Gekoppelte Berechnungen (ANSYS Workbench Workflow) - Elektrisch-Thermische-Struktur Kopplung - Elektrisch-Thermische Kopplung (Applikationsbeispiel Sicherung) - Thermo-Mechanische Simulationen (Zuverlässigkeit) - Piezoelektrik and Piezoresistivität Software Live-Demonstration - ANSYS Multiphysics Piezo Fan - ANSYS Multiphysics Workbench Workflow einer bestückten Leiterkarte • Fragen und Antworten, Diskussion Referenten: Dr. Evgeny Rudnyi Dipl.-Ing. Udo Killat | Information Ansprechpartnerin Infotage Gudrun Grosse, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-98 E-Mail [email protected] Information und Anmeldung www.cadfem.de/infotage Zielgruppe • Entwickler, Konstrukteure aus der Elektro- und Elektronikindustrie • Entwickler von Elektronik- und Mechatronik-Komponenten aus der gesamten Industrie • Führungskräfte mit Ausrichtung auf Elektronik- und Mechatronik-Applikationen Termine 27.04.2009 in München 28.04.2009 in Darmstadt 29.04.2009 in Dortmund 11.05.2009 in Stuttgart 19.05.2009 in Hannover 20.05.2009 in Dresden 23.06.2009 in Wien (A) Infoplaner 01/2009 29 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Elektromechanische Antriebe, simuliert mit ANSYS Im Rahmen der Entwicklung neuartiger elektrische Antriebe ist der Einsatz von FE-Simulationswerkzeugen ein wesentlicher Bestandteil des Designprozesses. Ihr richtiger Einsatz bestimmt den Entwicklungszeitraum, wesentliche Produkteigenschaften sowie Fertigungs- und Betriebskosten. Wurden bisher im Wesentlichen statische Analysen von 2D Berechnungsmodellen durchgeführt, so sind zum Design neuer und effektiver Antriebskonzepte auch dynamische Analysen der 3D Geometrie erforderlich. Die Auswahl des Berechnungsverfahrens hängt jedoch nicht nur von der Bewegungsgeschwindigkeit ab, sondern auch von der Art des Antriebes. Magnetostatische Simulation Die magnetostatische Simulation gestattet die Berechnung statischer Größen, wie Magnetkraft, verketteter magnetischer Fluss oder magnetische Co-Energie für ein magnetisches System bei statischer Anregung durch einen Strom oder durch Permanentmagneten. Diese statischen Kenngrößen können auch in Abhängigkeit von der Erregung oder der Position des Antriebes schnell und effizient berechnet werden. Für die notwendige Vernetzung des Antriebes bei unterschiedlichen Positionen gibt es drei Möglichkeiten: • Neuvernetzung der Geometrie (entsprechend der veränderten Position) • Adaption des Netzes (Netzdeformation) • Interface Anbindung der separaten Vernetzung nicht verbundener Modellteile (analog zum mechanischen Kontakt) Die Ergebnisse der statischen Berechnung dienen allgemein zur Aufnahme der stationären Kraft-Weg-Kennlinie des Antriebes. Für den häufigen Fall, dass im Antrieb keine Wirbelströme auftreten (geblechtes Eisen), oder die Wirbelströme nur einen kleinen Einfluss auf das magnetische Feld 30 Infoplaner 01/2009 haben, kann aus der statischen Rechnung noch mehr Information gewonnen werden: Die Co-Energie enthält auch die Information über die magnetische Kraft und den verketteten Fluss der Erregerspule: Anhand dieser Zusammenhänge kann die mechanische und die elektrische Bewegungsgleichung des Systems aufgestellt werden. Die wesentliche Kenngröße der Co-Energie dient hier als Instrument zur Extraktion eines Reduced-Order-Modells aus der FEM-Simulation, welches in einem Systemsimulator wie Simplorer verwendet werden kann. Quasistatische Simulation Als quasistatisch bezeichnet man diejenigen Berechnungen, bei denen zwar aufgrund der Feldänderung die Induktion eine Rolle spielt, die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen jedoch vernachlässigt werden kann. Wegen der häufigen Materialnichtlinearität werden wir uns hier auf transiente Vorgänge beschränken (harmonische Analysen schließen die Beschreibung nichtlinearer Systeme allg. aus). Transiente Vorgänge in Antrieben werden durch die Änderung der Erregung oder durch die Bewegung innerhalb des Antriebes hervorgerufen. In beiden Fällen werden in Leitern elektrische Spannungen induziert, die sich bei massiven Leitern durch Wirbelströme, bei gewickelten Spulen durch Induktionsspannungen äußern. Innerhalb ANSYS wird für die quasistatische Berechnung von Antrieben das Element SOLID117 benutzt. An den Kantenmitten besitzt es den Freiheitsgrad Az, den sogenannten Kantenfluss. Dieser Kantenfluss ist das Skalarprodukt aus dem Vektorpotenzial und dem Kantenvektor. Damit ist dieser Fluss einerseits extensiv (von der Kantenlänge abhängig) und andererseits ist sein Vorzeichen von der Nummerierungsrichtung der Ecknoten (Kantenrichtung) abhängig. Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Bild 2: Stromdichteverteilung in einer Asynchronmaschine: Primärwicklung und Läuferkäfig mit Kurzschlussring Optional hat das SOLID117-Element den Freiheitsgrad Volt an den Eckknoten. Im Fall der Formulierung für Wirbelströme (keyopt(1)=1) ist dieser Freiheitsgrad das zeitintegrierte elektrische Potenzial: Er hat damit dieselbe Dimension (Vs=Wb) wie der Kantenfluss Az. In ANSYS v12 wird die Funktionalität vom neuen Element SOLID236 übernommen. Dieses bietet neben der höheren Genauigkeit insbesondere für Pyramiden und Tetraedernetze eine bessere Lösungsgeschwindigkeit und die Möglichkeit der Parallelisierung. Modellbildung Häufig sind die Geometrien für die Antriebe periodisch; bei elektrischen Maschinen ist dies der Standardfall. Für die Modellbildung ist es dann sehr effizient, einen entsprechenden Sektor zu modellieren. Dies wird in den meisten Fällen ein halbes Polpaar sein. Für Klauenpolmaschinen oder Transversalflussmaschinen enthält der Sektor ein ganzes Polpaar. Periodische bzw. Anti-periodische Randbedingungen (realisiert über Constraint Equations) dafür sind in ANSYS Workbench direkt verfügbar. Ein somit das Gesamtsystem exakt beschreibender Sektor besteht jetzt aus den Festkörpern (Läuferblechpaket, Ständerblechpaket, Wicklungen, Magnete) sowie einem oder mehreren (im Fall eines Interface zwischen Läufer und Ständer) Hüllkörpern, die die Umgebungsluft beinhalten. Es ist günstig, den eigentlichen Luftspalt durch einen Körper aus Luft abzubilden, dies ermöglicht eine gezielte Vernetzungssteuerung im Luftspaltbereich. Lasten und Randbedingungen Jede magnetische Simulation erhält mindestens eine Fluss-parallele Randbedingung. Daneben kann man direkt in Workbench Ströme und Spannungen auf die äußeren Flächen massiver Leiter einprägen. Die Lastdefinition von gewickelten Spulen wird durch Vorgabe von Stromdichten realisiert. Andere Randbedingungen, wie Reihenschaltungen von Wicklungen, die Einprägung einer externen Flussdichte oder das Hinzufügen von Schaltungselementen können mittels Kommandoobjekten ebenfalls in Workbench realisiert werden. Morphing und Interface Die Verzerrung von Netzen zur transienten Analyse von Antrieben mit schließendem Luftspalt (z.B. Klappanker) erfolgt schnell und übersichtlich durch Interpolation aus einer thermischen Nebenrechnung. Für die Beschreibung des Interfaces zwischen Rotor und Stator wird ein Kommandoobjekt herangezogen, welches beide getrennten Netzbereiche während der Bewegung verbindet. Liegt eine äquidistante Vernetzung der Knoten am Interface vor, so können die jeweils aufeinander fallenden Knoten richtungsabhängig verbunden werden (clicking mesh). Bild 1: Netz eines Hubankersystems mit Morphing unter dem Anker und seitlichem Sliding, Stromverlauf bei Speisung mit Gleichspannung Alternativ dazu werden bei nichtäquidistanten Netzen bzw. variabler Winkelschrittweite die Kantenflüsse auf der Seite mit dem feineren Netz interpoliert und aus den Flüssen auf der Seite mit dem gröberen Netz interpoliert (sliding interface). Für beide Anwendungsfälle muss das Interface ein strukturiertes Oberflächennetz aufweisen. Infoplaner 01/2009 31 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Bild 3: Flussdichteverlauf in Läufer und Ständer einer Asynchronmaschine bei transienter Drehung, mit freundlicher Genehmigung der Elektromotorenwerk Grünhain GmbH & Co.KG Die Kombination beider Verfahren (Morphing und Interface) innerhalb von ANSYS, ermöglicht die Beschreibung von Exzentrizitäten und elastischen Deformationen (akustische Anregung). Transiente Bewegung Die Beschreibung der transienten Bewegung wird dadurch abgebildet, dass bei jedem Lastschritt das Modell entsprechend der Bewegung aktualisiert wird. Dies passiert innerhalb des Lösungsmoduls. Im Fall der Netzverzerrung ist dazu die Funktion *vput,,node,,loc zum Update der Knotenkoordinaten zu verwenden. Auch die Neuerstellung der constraint equations für clicking mesh oder sliding interface wird innerhalb des Lösungsmoduls durchgeführt. Dies vermeidet den sonst notwendigen und zeitaufwendigeren Restart. Die jeweils neue Position ist entweder bekannt vorgegeben (z.B. drehender Asynchronmotor) oder aber 32 Infoplaner 01/2009 kann anhand der Bewegungsgleichung neu berechnet werden (Hochlauf einer Maschine, Schließen eines Hubankers). Für die Neuberechnung der Position kommt die Lösung der mechanischen Bewegungsgleichung des als starr betrachteten beweglichen Teils des Antriebes in Frage. Hierzu muss die aktuelle Kraft berechnet werden. Auch das geschieht innerhalb des Lösungsmoduls, weil die Elementdaten, wie z.B. die magnetische Flussdichte mittels *vget verfügbar sind und somit benutzt werden können, um das Flächenintegral über den Maxwellschen Spannungstensor zu berechnen. Mit der Einführung von ANSYS 12 gibt uns Workbench die Möglichkeit, auch transiente magnetische Rechnungen auszuwerten. sungsmoduls wird auch die Kopplung an andere physikalische Domänen, wie thermische und mechanische Simulationen innerhalb von ANSYS möglich. Akustische Analysen oder die Analyse der Wechselwirkung zwischen Mechanik und Magnetik durch Luftspaltreduktion kommen so in << Reichweite. ✒| Autoren Dr. Martin Hanke, Jens Otto, CADFEM GmbH i | Information Ansprechpartner ANSYS & elektrische Antriebe bei CADFEM Udo Killat, CADFEM GmbH Mit der Berechnung von Kräften und Wärmegenerationsraten innerhalb des Lö- Tel. +49 (0) 80 92-70 05-23 E-Mail [email protected] Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Makromodelle: Ein neuer Ansatz zur schnellen und präzisen Simulation von Antriebssystemen Die hier vorgestellte Methode wurde gemeinsam von CADFEM und dem Lehrstuhl für „Elektrische Antriebstechnik und Aktorik“ der Universität der Bundeswehr München erarbeitet1. Wesentliches Ziel ist, Antriebssysteme schnell und präzise zu simulieren, um Regelsysteme zukünftig besser auslegen zu können. Bild 1: FEM-Modell der PM-Maschine (rechts) und berechnete Werte der Co-Energie als Funktion von Strom und Drehwinkel (links). Während eine Co-Simulation von Systemsimulator und FEM zwar genaue Ergebnisse liefert, aber sehr zeitaufwändig ist, verhält es sich bei einer Systemsimulation basierend auf vereinfachten Annahmen für die Elektrischen Antriebe genau umgekehrt: Ein Ergebnis ist schnell verfügbar, aber nicht immer präzise genug. Die schnelle und genaue Simulation von Antriebssystemen ist das Ziel des hier beschriebenen neuen Ansatzes. Übersicht Das Verfahren der Makromodelle basiert darauf, aus charakteristischen Messungen oder Berechnungen solche Funktionen zu extrahieren, die eine Beschreibung der elektrischen Maschine mit sehr wenigen Parametern ermöglichen. Ist dies geschafft, kann die dann sehr kompakt vorliegende Beschreibung der Maschine in Systemsimulationsprogrammen eingesetzt werden, um sehr effizient Regelungsstrukturen und -parameter durchzurechnen und zu opti1 mieren. Dies ist sowohl für die „Switched Reluctance Machine (SR-Maschine)“, als auch für die „Permanentmagnetmaschine (PM-Maschine)“ durchgeführt worden. Im Folgenden wird als Grundlage für die Makromodelle die magnetische Co-Energie genutzt, die aus umfangreichen FEM-Berechnungen mit ANSYS ermittelt wird. Neben der detaillierten mathematischen Beschreibungsform für die Ordnungsreduktion in den Makromodellen ist zusätzlich mit Hilfe einer Fehleranalyse ein Gütekriterium für die Approximation durch das Makromodell erarbeitet worden. eine Tabelle mit 3.780 Werten. Möchte man die Maschine in der Systemsimulation genau beschreiben, benötigt man die folgenden Parameter: - Induktivität Drehmoment Induzierte Spannung Flussverkettung Co-Energie Werden alle Parameter mit der oben angegeben Auflösung berechnet, ergeben sich Tabellen mit insgesamt 5 x 3.780 = 18.900 Werten. Die PM-Maschine Zunächst wird die Co-Energie der PM-Maschine als Funktion von Strom und Drehwinkel berechnet (Bild 1) [4]. Kann die Co-Energie nun mit Hilfe von sogenannten Basisfunktionen FX und FI und einer Matrix c als Die berechnete Co-Energie ist hierbei mit 180 Winkelpositionen und 21 Stromwerten aufgelöst. Insgesamt ergibt sich also beschrieben werden, so ergeben sich die anderen benötigten Daten der Maschine auf einfache Art: Das Projekt mit der genauen Bezeichnung „Makromodelle elektromechanischer Antriebe zur hochgenauen Auslegung von Regelsystemen“ wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. unter dem Programm PRO INNO II mit dem Förderkennzeichen KA0221201WD5 gefördert. Infoplaner 01/2009 33 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik - Drehmoment ; - Flussverkettung ; - Induktivität ; - Induzierte Spannung ; Bei der betrachteten PM-Maschine reichen für eine gewünschte Genauigkeit je zwei Basisfunktionen FX und FI aus, so dass sich deutlich reduzierte Tabellen ergeben. Eine weitere Vereinfachung kann durch ein analytisches Makromodell erreicht werden: Die Basisfunktionen FX und FI werden mit analytischen Gleichungen beschrieben; zur Anpassung der Parameter an die FEM-Berechnungen wird das curve-fitting Verfahren genutzt [4]. Aufgrund der analytischen Beschreibung können in sehr einfacher Form die weiteren charakteristischen Größen der Maschine (Drehmoment, Flussverkettung, Induktivität, induzierte Spannung) durch analytische Ableitung der CoEnergie-Funktionen ermittelt werden. Zur Überprüfung der Genauigkeit ist in Bild 2 das Drehmoment im Vergleich zwischen der ursprünglichen FEM-Berechnung und der hier präsentierten Berechnung mittels analytischem Makromodell dargestellt. ten zur Erstellung eines Makromodells lassen sich auch auf die SR-Maschine anwenden [1-3]. Der wesentliche Unterschied ist, dass die SR-Maschine hochgradig nichtlinear ist. Dies führt zu Funktionen mit mehr Parametern, um eine entsprechende Genauigkeit zu erreichen. Zunächst wird die Co-Energie als Funktion von 15 Winkelpositionen und 31 Stromwerten berechnet (Bild 3). Auch bei der SR-Maschine lassen sich die verschiedenen Optimierungsstufen zur Ordnungsreduktion anwenden wie bei der PM-Maschine. Die detaillierte Darstellung kann man der angegebenen Literatur entnehmen. wobei die C-Funktionen jeweils Polynome 2-ten Grades des Stromes i sind, so erhält man eine Beschreibung, die nur noch 3 + 3 = 6 Werte benötigt (statt der ursprünglichen 18900 Werte). Aufgrund der auch hier vorliegenden analytischen Beschreibung können in sehr einfacher Form die weiteren charakteristischen Größen der Maschine (Drehmoment, Flussverkettung, Induktivität, induzierte Spannung) durch analytische Ableitung der Co-Energie-Funktionen ermittelt werden. 34 Infoplaner 01/2009 Als ein Beispiel der durchgeführten Vergleiche zeigt Bild 5 den dynamischen Ausgleichsvorgang bei einem sprungförmigen Eingangssignal (Drehzahlanforderung sprungförmig von 0 rpm auf 300 rpm geändert) bei einer konstanten Belastung mit 5 Nm. Deutlich ist die gute Übereinstimmung zwischen der Messung und der Simulation mit Hilfe des Makromodells zu erkennen [5]. Bild 2: Drehmoment der PM-Maschine: Analytisches Makromodell im Vergleich zur numerischen FEM -Berechnung. Beschreibt man die Co-Energie als Die SR-Maschine Die im vorangegangenen Abschnitt dargestellten unterschiedlichen Möglichkei- Die Validierung des Verfahrens wird hier an einem Beispiel gezeigt: Die Simulationen wurden mit Hilfe der Software Simulink durchgeführt, die Leistungselektronik wurde mit Hilfe von Simplorer simuliert. Bild 4 zeigt einen Überblick über den genutzten Versuchsstand. Bild 3: Co-Energie als Funktion von Strom und Winkel. Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik ✒| Autor Prof. Dr. Dieter Gerling, Universität der Bundeswehr, Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik und Aktorik ❧ | Literatur [1] Khateeb, N.; Gerling, D.: “The Off-line Co-simulation of the Switched Reluctance Motor using the Macromodel Approach”, Bild 4: Übersicht über den genutzten Versuchsstand. 25th CADFEM Users Meeting, 21. – 23. November 2007, Dresden, Deutschland Zusammenfassung Es konnte gezeigt werden, dass die Methode der Makromodelle gut auf die Simulation von Elektrischen Antriebssystemen angewendet werden kann. Das Verfahren ist intensiv für PM-Maschinen und SR-Maschinen untersucht worden. Es wurde eine große Einsparung an Speicherplatz bei Anwendung des Makromodells gegenüber dem klassischen Ansatz demonstriert. Zudem können die einzelnen Funktionen während der Simulation schnell berechnet werden, da nur einfache analytische Ableitungen zu bilden sind. Das Ver- fahren wurde mit Hilfe umfangreicher Vergleiche zwischen Simulation und Messung validiert. [2] Khateeb, N.; Gerling, D.: “Computer Aided Macromodeling for Control of Electromechanical Systems”, The First Electrical Engineering Conference (EEC 2007), Es ergeben sich keine prinzipiellen Beschränkungen bei der Anwendbarkeit auf << weitere Maschinentypen. 26. – 28. Juni 2007, Aleppo, Syrien [3] Khateeb, N.; Gerling, D.: “Calculation of the Static Torque of a SRM using the FEM-calculated Co-energy and the Macromodeling Approach”, 18th International Conference on Electrical Machines (ICEM2008), 06. – 09. September 2008, Vilamoura, Portugal [4] Khateeb, N.; Gerling, D.: “A Novel Modeling Method of a PM Motor using the Macromodeling based Topology”, 26th CADFEM Users’ Meeting, 22. – 24. Oktober 2008, Darmstadt, Deutschland [5] Khateeb, N.; Mühlbauer, K.; Gerling, D.: “Dynamic modeling of the SRM using the macromodeling approach: Comparison of simulation and experiment”, 13th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE2009), 08. – 10. September 2009, Barcelona, Spanien (Beitrag akzeptiert) ❑ | Bilder Universität der Bundeswehr, Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik und Aktorik i | Information Ansprechpartner Makromodelle Dr. Evgeny Rudnyi, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-82 Bild 5: Dynamischer Ausgleichsvorgang bei der SR-Maschine bei einer sprungförmigen Änderung des Drehzahlsollwertes. E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 35 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Efficient Electrothermal Simulation of Power Electronics An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) module is an essential part of any hybrid electric vehicle. In turn, its thermal management is crucial for high reliability coupled with high efficiency. In the present work, a methodology based on model reduction with MOR for ANSYS is employed to automatically generate an accurate compact thermal model of the IGBT-module directly from a high dimensional finite element model. We present a complete design flow starting from an accurate finite element model in ANSYS Workbench. The user generates a compact dynamic thermal model and then uses it in a system simulator to develop the circuitry that is aware of thermal behavior of the system. More detail can be found in [1]. Fig. 1: Photo of an inverter power thermal studies are fundamental to increase the lifetime of the power inverters used in hybrid vehicles. Second characteristics of an IGBT depends on temperature (see Fig. 2 left). This means that during system level simulation temperatures should be also simulated. It is possible to develop an accurate thermal model by means of the finite element method (see Fig 2 right) but then the question is: how it could be coupled with a system level simulation? par for mild hybrid drive systems [2]. Inverter modules (see Fig 1) are composed of several semiconductor devices (IGBT’s and diodes) interconnected in parallel inside the same package in order to assure the high current ratings required in these applications. Those semiconductors are soldered on a DCB/DAB (Direct Copper/Aluminium Bonding) substrate that in turn is mounted on a water- or air-cooled base plate. High electrical power requirements lead to relatively high power dissipation and, together with higher integration, brings special requirements for thermal design. First, Developing a thermal model In order to increase efficiency during system level simulation, the thermal model of the IGBT module is simplified. First it is decoupled from the CFD simulation by means of convection boundary condition. The best way to estimate them is to run a CFD simulation once and then to employ film coefficients in the thermal simulation. When it is necessary to model water channels, the FLUID116 element in ANSYS (see Fig. 3) allows us to model the bulk temperature of the water during the thermal simulation pretty accurately. Another simplification is the assumption of constant material properties. This can always be achieved by the linearization of the model Fig. 2: Left: An inverter model containing 12 IGBTs and 18 diodes [2]. Right: The thermal model of the inverter module, developed in ANSYS Workbench. 36 Infoplaner 01/2009 around the operation point. With these two assumptions the thermal model in ANSYS Workbench is linear and thus it is much easier to perform its transient simulation. Still, a typical Workbench thermal model is too high dimensional to use it at the system level directly. Generating a compact thermal model with MOR for ANSYS Modern model reduction [3] allows us to automatically find a good low dimensional approximation for a high dimensional finite element model. MOR for ANSYS [4][5] reads system matrices direct from ANSYS Workbench and performs the model reduction algorithm. At the end, it writes system matrices of the reduced system in the form that can be used directly in MATLAB Simulink and Simplorer or can be converted to templates for VerilogA and VHDL-AMS. Simplorer is a new ANSYS product for system level simulation. For multiple heat sources defined in ANSYS Workbench, MOR for ANSYS uses the superposition Arnoldi algorithm to make sure that, in the reduced system, each device can be turned on and off independently. At the same time, the thermal cross talk effect is preserved very accurately during model reduction. An important question is the choice of dimensions for the reduced system. MOR for ANSYS employs an error indicator to determine the dimensions of the reduced model automatically, based on the given precision. In our case, about 10 degrees of freedom per input in the reduced thermal model is enough to accurately approximate the dynamic response of the original high dimensional system (see Fig 4). There is some small difference at the begin- Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik ✒| Author Author and Contact Person Dr. Evgeny Rudnyi, CADFEM GmbH Phone +49 (0) 80 92-70 05-82 E-Mail [email protected] ▲ | References [1] A. Dehbi, W. Wondrak, E. B. Rudnyi, U. Killat, P. van Duijsen. Efficient Electrothermal Simulation of Power Electronics for Hybrid Electric Vehicle. Eurosime 2008, International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and ExpeFig. 3: Simulation of canals with FLUID116 element in ANSYS Workbench (SGL Carbon GmbH) riments in Micro-Electronics and MicroSystems, 21 – 23 April, Freiburg, Germany, Proceedings of EuroSime 2008, p. 412-418. [2] N. Seliger, E. Wolfgang. “Reliable Power Electronics for Automotive Applications”, Microelectronics Reliability 42 2002, Proceedings: pp. 1597-1604 [3] A. C. Antoulas, “Approximation of Large-Scale Dynamical Systems”. Society for Industrial and Applied Mathematic, 2005, ISBN: 0898715296. [4] T. Bechtold, E. B. Rudnyi, J. G. Korvink. Fast Simulation of Electro-Thermal MEMS: Efficient Dynamic Compact Models, Springer 2006, ISBN: 978-3-540-34612-8. Fig. 4: Temperature rise computed in ANSYS for the full scale model (red line) and with the reduced model (green line) for one [5] MOR for ANSYS, IGBT and one diode. http://ModelReduction.com ning but one sees it only because the log coordinates have been employed. The full simulation in ANSYS (about 80 K nodes) for 50 timesteps took 1000 s. The model reduction took only 50 s and the simulation with the reduced model less than a second. sented by one block that uses reduced system matrices. Since there are 30 semiconductors in the inverter, the reduced The left side connections of the switching leg model are the four gate connections (G), since we have 2 high side and 2 low side IGBT switches. The thermal node of each semiconductor (IGBT or diode) is shown on the right side of the switching leg block and is directly connected to the thermal MOR model. Thus although a thermal model is linear the resulting system << level simulation is nonlinear. The communication between ANSYS Workbench and MOR for ANSYS is as follows. A user defines named sets in the module Simulation in Workbench. Then the script in Workbench takes these names as input, generates necessary FULL files, defines outputs and then runs MOR for ANSYS. Electrothermal simulation at the system level Figure 5 shows the simulation of the inverter from Fig 2 connected to the compact thermal model, generated by MOR for ANSYS. The thermal model is repre- order model also has 30 thermal connections. The power losses in semiconductors are predicted based on the given data sheet parameters. These parameters are temperature dependant and therefore the losses depend on the temperature of each semiconductor. Fig. 5: Electrothermal simulation of the inverter module at system level. Infoplaner 01/2009 37 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik FE Analysis of Different PM Machines for Hybrid Vehicles Application Hybrid-electric vehicles combine the benefits of gasoline engines and electric motors and can be configured to obtain different objectives, such as improved fuel economy, increased power, or additional auxiliary power for electronic devices and power tools. Fig. 1: a) Schematic of a HEV drive train configuration [4], b) Motor performance curve. Figure 1-a shows the principle sketch of a hybrid drive system. The electric drive system of the HEV consists of the electric machine, inverter and the energy storage device (battery or supercapacitors). The permanent magnet (PM) electrical machine is also gaining popularity. The high interest in this machine type is due to its superiority concerning high efficiency, high torque density, and constant power over a wide speed range. These advantages make the PM machine especially suitable in applications like electric vehicle, robotics and high 38 Infoplaner 01/2009 efficiency industrial drive. The characteristics of the electrical machines effect the vehicle performance, especially fuel consumption. The motor requirements for HEV application are: high torque per volume, high efficiency, constant power over a wide speed range and low torque riple. Figure 1-b shows the required torque characteristics for the traction drive motor. determination of machine parameters through magnetic field solutions as it takes into account the actual distribution of the winding, details of geometry, and the non-linearity of the magnetic materials of an electrical machine. The machine parameters and the electromagnetic torque are very important considerations for both analysis and design of electrical machines. Figure 2 shows different PM machines suiPermanent magnet machines table for HEV application. The presented Permanent magnet synchronous machines electric machines have the same rotor to(PMSM) gain more and more importance pologies (embedded magnet rotor), howfor special drive applications. Because of ever they have different winding topolothe high torque and power density, permagies. The PM-V1 machine has a distributed nent magnet motors are mainly in the fowinding with q=2 (q-is the nr. of coils per cus. The stator of a PM synchronous maphase and per pole), however the IPM and chine has a conventional three-phase winthe IPM-V machine have a concentrated ding, the rotor can have magnets mounted winding topology with q=0.5 and q=0.4, on the surface of the rotor, or can be buried inside the rotor (interior permanent magnet machine). The rotor construction and location of the permanent magnets have a considerable effect on the motor performance. On the other side, Fig. 2-a: PM-V-machine Fig. 3-a: Flux-lines distribution the entire winding assembly, including current and voltage determines the operating modes and the type of the electric machine. Different rotor and winding topologies for PM Fig. 2-b: IPM-machine Fig. 3-b: Flux-lines distribution machines are analysed in [1, 2]. Analysis of PM machines using FEM As one of the numerical calculation methods, finite-element method (FEM) allows accurate Geometry and flux-lines distribution of the studied PM machines Hybrid electric vehicles (HEVs) are offered by numerous car manufacturers and are becoming increasingly more available. Some of the advanced technologies typically used by hybrids includes: Regenerative Braking, Electric Motor Drive/Assist, Automatic Start/Stop, etc.. Fig. 2 and 3 Fig. 2-c: IPM-V-machine Fig. 3-c: Flux-lines distribution Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik respectively. Using the ANSYS 2-D program the main performances of the PM machines are calculated. Some FE results are presented in the following sections. dq- inductances Figure 3-a shows the flux distribution of the PM-V machine under high operation load, Figure 4 shows the variation of the dq-inductances with the load current (saturation effect). The parameters of the PM machines are calculated with the fixed-permeability method (FPM) [3]. monic content in the radial force distribution. The obtained results show that the radial force density of the IPM-V machine under load condition contains all even space harmonics of order 2x(0, 2, 4, 6, 8,…) as a result of the interaction between the odd space harmonics in the permanent magnet field and the armature reaction field distribution. The strongest radial force har<< monics are: 0, 4, 20, and 24. ✒| Authors Gurakuq Dajaku, FEAAM GmbH, Neubiberg, Germany, Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Institute for Electrical Drives, University of Federal Defense Munich, Neubiberg, Germany ▲ PM flux-linkage In a PM machine there is a flux due to the magnets which links all the windings in turn, and gives the flux-linkage in each phase, even when there is no current flowing. Corresponding to this flux-linkage is the “open-circuit” voltage (back-emf), which leads in phase by 90°. The induced back-emf depends on the rate at which flux changes . Figure 5 shows the no-load induced back-emf of the IPM machine at 1000 rpm. | References [1] Dajaku G., Gerling D.: “Analysis of Different Permanent Magnet Machines for Hybrid Vehicles Application”, 26th CADFEM Users Meeting 2008, November 22 – 24, Fig. 4: PM-V machine; dq-inductances vs. stator dq-currents. 2008, Darmstadt, Germany. [2] Gerling, D.: “Component and System Aspects for Alternative Drives of Future Road Vehicles”, 26th CADFEM Users Meeting 2008, November 22 – 24, 2008, Darmstadt, Germany. Electromagnetic torque and torque ripple The basic task of any electric machine is to generate torque to accelerate and drive a load over a specific range of speeds. Thus, torque is a very important consideration for both analysis and design of electrical machines. Different methods based on finite element solutions can be used for the calculation of the electromagnetic torque. In [3] three different torque calculation methods are analysed; the Maxwell’s stress tensor-, mathematical model for PM machine, and magnetic co-energy method. Figure 6 shows the electromagnetic torque of the IPM-V machine obtained with Maxwell’s stress tensor method. [3] Dajaku G., Gerling D.: “Torque calculation of a PM machine with different FE calculation methods”, 23rd CADFEM Users Meeting 2005, November 9 – 11, 2005, Bonn, Germany. Fig. 5: IPM machine; no-load back-emf at 1000 rpm. [4] http://www.toyota.co.jp/en/tech/ environment/ths2/hybrid.html. i This article is a resumee of the paper “Analysis of Different Permanent Magnet Machines for Hybrid Vehicles Application” held by the authors at the ANSYS Conference & 26th CADFEM Users´ Meeting 2008 in Darmstadt. Fig. 6: Electromagnetic torque of the IPM-V machine. ❑ Radial magnetic force density The radial force density distribution on the stator surface, which results from the airgap magnetic field under no-load (opencircuit) and on-load conditions, is the main cause of electromagnetically induced noise and vibration, and can be evaluated analytically by Maxwell’s stress method. Figure 7 shows the FE results for the radial force density distribution of the IPM-V machine. The FFT analysis is used to determine the har- | Note | Pictures FEAAM GmbH; Institute for Electrical Drives, University of Federal Defense Munich i | Information Contact person Electrical Drives & Hybrid Applications at CADFEM: Udo Killat Fig. 7: Radial force density and corresponding space Phone +49 (0) 80 92-70 05-23 harmonics for the IPM-V machine. E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 39 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Thermo-Mechanical Analysis of a Smart Power Switch Subjected to Transient Thermal Stress In modern automotive applications, Smart Power Switches (SPS) play a significant role. More and more they replace their electro-mechanical equivalent “relay”. The trend is the shrinkage of power device dimensions. The consequences are higher thermo-mechanical stresses causing degradation of different parts in the device and early electrical failure of integrated circuits. In order to ensure safe and reliable operation of power devices, the thermal analysis of extreme operating conditions has become an integrated part of product development. Elevated temperatures are the root cause of many degradation phenomena which are related to mechanical behavior of particular parts of the whole local peak stresses in the device and subsequently to correlate them with the device’s failure modes. Modeling, material models used The whole system analysis consists of the SPS device and a PCB substrate (Fig. 1 c, d, e). The SPS device can be split up into several main parts: heat-sink, pins, die-attach, silicon die, integrated power transistors, bonding wires and finally the molding compound. In the analysis the complexity of the real device is reduced using macroscopic approaches. The most complex parts in the system are the integrated power transistors, which were considered to be comprised only of two layers: thin silicon layer where the heat is generated and the upper layer of the power metallization. For simplicity the power dissipation density is considered to be uniform over the whole power transistor which is a sufficiently good approach for the operating point chosen. die and the FR4 carrying material of the PCB substrate was considered. The power metallization and bonding wires were assumed to possess temperature dependent plastic material properties. In case of the package molding compound, temperature dependent mechanical properties were used. This is of importance in order to include the glass transition effect. The FEM analysis was done using a sequential approach. First the transient thermal simulation was performed. The power dissipation density was calculated from the measured waveforms of drain-source current and voltage (see Fig. 2). Subsequently the transient mechanical simulation using the calculated temperature distributions as input was performed. The ANSYS element types Solid 90 and Solid 186 were used in the thermal and mechanical analysis, respectively. Fig. 1: (a) The two channel SPS device soldered to PCB substrate, (b) detailed view of the device (channel 1 – left, channel 2 – right), (c) geometrical model of the whole system, (d) detailed view of the SPS device model, (e) detailed view of the chip and bonding wires. system. Most of the real problems are not solvable by analytical methods, therefore a numerical approach is used. FEM is a powerful numerical method to perform thermomechanical analysis of complex structures. Goals In this work the thermo-mechanical behavior of a two channel SPS device has been investigated by FEM simulations performed in ANSYS Classic (Fig. 1 a, b). The work was focused on an investigation of an extreme application case where the device is activated during a short circuit of the load. The goal is to determine the thermomechanical conditions, to find global and 40 Infoplaner 01/2009 Emphasis was put into modeling bonding wires which are failure sources of power devices. They are conventionally made of aluminum; the attachment to both the power metallization and pins is created by pressing the wires to the chip surface with a bonding tool and the physical contact is created by applying ultrasonic energy. Because the final shape of the bonding wires is given by the aforementioned process, the geometrical data was not available in CAD format. Their exact and complex 3D shape had to be modeled based on the actual physical cross-sections. Concerning the materials used, the nonlinearities were carefully taken into account, especially the temperature dependency of the thermal conductivity and specific heat capacity of silicon. From the mechanical point of view, the anisotropy of the silicon Fig. 2: Power dissipation waveform and simulated maximum temperature in the system. Simulation results The curve of maximum temperature in the system is shown in Fig. 2. The analysis has shown that the position of the hottest spot is not constant but changes during the thermal event. This is caused by nonlinearities of the temperature dependent materials. The evolution of temperature and Von Mises stress distribution on the analyzed SPS de- Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Fig. 3: Warpage of the whole system Fig. 4: Von Mises stress distribution on the surface of the bonding wire of the channel 1 at shut-down time. vice are shown in Table 1 and Table 2, for heating and cooling phase, respectively. The second and third column contains stress distributions calculated by simulation incorporating elastic and plastic material properties, respectively. From these images, it can be seen that the stress distribution is proportional to the temperature distribution if only elastic material properties are used in the simulation. This is not valid for the simulation with the plastic material properties. However, mechanical stresses in the silicon die and other purely elastic parts of the system are the same for both cases. In contrast, the whole power metallization of the channel 1 remains under mechanical stress if plasticity of materials is considered. The resulting warpage of the whole system caused by the residual stress is shown in Fig. 3. Fig. 4 shows the Von Mises stress in the bonding wire of channel 1. The stress dis- tribution at the end of the heating phase agrees very well with the observations of the degradation modes of the SPS devices subjected to cyclic thermal conditions. Comparing these results to Fig. 5, it can be seen that the mechanical stress has its maxima in the same position where the degradations between inter-metal oxide and power metallization occur. Further, at the bonding wire heal the stress also reaches very high values which near the yield stress. Fatigue at this position can be correlated with a failure mode of devices for high-power applications such as IGBT modules, which are usually subjected to higher stresses than SPS devices. Summary The main contributions of this work can be divided into two aspects. The first is related to the modeling of SPS devices, how to simplify power transistors and the im- Fig. 5: Detailed view of the failure of the SPS device analyzed caused by multilayer degradation of the bonding interface as a result of cyclic thermal stress. The dark region is the original bonding interface. The bright region is the inter-metal oxide which has lost adhesion to the power metallization. portantance of relevant geometrical details and material nonlinearities as well as material anisotropy. The second is related to the design and application of the SPS devices where the quantitative results are important inputs to thermal and mechanical optimization of SPS devices. Detailed results are available in the original work. << ✒| Authors ˇ Vladimír Kosel KAI Kompetenzzentrum Automobil- und Industrie-Elektronik GmbH, Villach, Austria i | Note This paper is a short summary of a PhD thesis carried out at KAI GmbH. ❑ | Pictures KAI Kompetenzzentrum Automobil- und Industrie-Elektronik GmbH, Villach, Austria i | Information Further Information www.k-ai.at Contact Person ANSYS Applications in Austria: Alexander Dopf, CADFEM (Austria) GmbH Table 1 (left): Temperature and stress distribution during heating phase (0 ms – 4 ms). Phone +43 (0)1-5 87 70 73-14 Table 2 (right): Temperature and stress distribution during cooling phase (4 ms – 10 s). E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 41 Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Mechanische FEM Leiterplattenmodelle auf Basis der Laminattheorie Elektronische Baugruppen werden in immer vielfältigeren Arbeitsfeldern eingesetzt. Dabei müssen sie in weiten Temperaturbereichen lang anhaltenden mechanischen Belastungen standhalten. Die Leiterplatten (PCBs) haben hierbei eine besondere Aufgabe. Sie sind zugleich elektrische, thermische und mechanische Verbindungsträger der elektrischen Schaltkreise und stellen zudem das Bindeglied zur Umgebung dar. FEM-Simulation elektronischer Baugruppen erfordert detaillierte Materialmodelle für die PCBs, um die Belastung der ausfallgefährdeten inneren Strukturen realitätsnah zu erfassen. Bei Nutzung der bisher üblichen einfach anisotropen oder gar rein isotropen Ansätze wäre dazu für jedes Produkt individuell eine aufwändige Charakterisierung der konkreten Leiterplatte nötig. Alternativ wird hier eine universelle PCB-Modell-Toolbox vorgestellt, die viele dieser Messungen unnötig macht. zu vermessen. Im Fall von Qimonda genügten 3 der 7 gebräuchlichen Gewebetypen, um 90% aller Produkte abzudecken. Der Aufbau einer solchen PCB-Toolbox erfolgt in 3 Schritten (Bild 2). Zuerst werden die häufig verwendeten Gewebeeinzellagen messtechnisch untersucht und per Simulation detailliert analysiert. Die Ergebnisse werden anschließend in effektive 3-Schichtstrukturen überführt, aus denen schließlich die Modelle für all jene Lei- tional verstärkte Komposite aus Glasfasern und Harz dar. Unter Nutzung der Laminattheorie kann deren Verhalten im Werkstoffmodell gut beschrieben und damit die resultierenden Eigenschaften der Einzellage treffsicher nachgebildet werden. Je nach Einsatzzweck des Leiterplattenmodells sind die mechanischen Eigenschaften von Harz und Einzellage temperaturabhängig und ggf. auch zeitabhängig zu messen. Es empfiehlt sich, sowohl die Zug- als auch die Biegesteifigkeiten der Einzellagen Bild 2: Modellierungsablauf für die Erstellung einer PCB-Toolbox Bild 1: Querschnitt einer 8-lagigen PCB PCBs sind Laminate aus Kupferlagen mit dazwischen liegenden Isolationsschichten aus Glasgewebe-Harz-Gemischen (Bild 1). Sie kommen in den vielfältigsten Ausführungen zum Einsatz. Allein beim Speicherhersteller Qimonda wurden 2008 insgesamt 160 Varianten genutzt. Diese zahlreichen und recht komplexen Strukturen werden jedoch alle aus Einzellagen mit festgelegten Dickenbereichen und nur einigen wenigen Glasgewebetypen hergestellt, welche ebenfalls standardisiert sind. PCBs werden also nach einem Baukastenprinzip aufgebaut. Daher liegt es nahe, dieses Prinzip auch für die Modellerstellung zu nutzen. Anstatt jeden einzelnen Leiterplattentyp individuell zu charakterisieren, genügt es dann, relativ wenige Bestandteile genau 42 Infoplaner 01/2009 terplatten aufgebaut werden können, die aus den erfassten Gewebeeinzellagen bestehen. Im ersten Schritt werden die geometrischen und mechanischen Eigenschaften der zu untersuchenden Einzellage bestimmt. Querschliffe liefern die Abmessungen der Glasfaserbündel in beiden Verstärkungsrichtungen sowie die Dicke der Einzellage. Daraus wird ein detailliertes FEM-Geometriemodell einer einzelnen Gewebezelle erstellt Bild 3). Die Glasfaserbündel werden separat für Kett- und Schussfäden als Schläuche mit ellipsenförmigen Querschnitten modelliert, die in der Schicht aus Epoxidharz eingebettet sind. Das freie Harz ist isotrop. Die Faserbündel stellen unidirek- zu ermitteln. Aus einem Satz dieser Messdaten wird das Verhältnis zwischen Glasund Harz-Volumen in den Glasfaserbündel bestimmt, indem das Ergebnis der Simulation an das der experimentellen Tests angepasst wird. Diese Parameteroptimierung erfolgt mittels optiSLangTM. Der zweite Satz ermöglicht die Validierung des kalibrierten Detailmodells. Wenn sich für Zug- und Biegeverhalten eine hinreichende Übereinstimmung zeigt (z.B. Fehler <5%), ist das Detailmodell geeignet, durch Zug- und Schersimulationen in allen Raumrichtungen auch jene Materialparameter der orthotropen Gewebeeinzellage zu bestimmen, für die eine Messung extrem aufwändig wäre (z.B. Zugsteifigkeit in Dickenrichtung der 100 µm Einzellage). Elektromechanik, Elektronik, Mechatronik Abb. 3: FEM-Netz des Gewebedetailmodells Im zweiten Schritt werden die soeben bestimmten orthotropen Einzellageneigenschaften auf ein 3-Schichtmodell übertragen, welches symmetrisch aus zwei isotropen Harzschichten und einer gemischten Glas-Harz-Mittelschicht zusammengesetzt ist. Die Dicke der Mittelschicht entspricht der mittleren Dicke des Glasfasergewebes. Sie ist für den jeweiligen Gewebetyp konstant. Ebenso stellen die Verhältnisse von Glas- und Harz-Volumen in den beiden Ebenenrichtungen der Mittelschicht Konstan- Charakterisierung weiter. Unterschiede im Harzgehalt der Einzellage eines Gewebetyps, anhand derer in der Praxis die Leiterplatten-Gesamtdicke eingestellt wird, erfordern im Modell lediglich die Anpassung des Dickenparameters für die äußeren Harzschichten nicht jedoch weitere Werkstoffmessungen oder Modellkalibrierungen. Im abschließenden dritten Schritt werden die Einzellagen anhand ihrer 3-Schicht- die 37 Schichten einer 10-lagige PCB in ein einziges Element aufzunehmen. Um eine unrealistische Versteifung der Struktur zu vermeiden, empfiehlt sich dennoch, mindestens drei Elemente über der Leiterplattendicke vorzusehen. Diese PCB-Toobox erlaubt, mit minimalem Aufwand eine Bibliothek an PCB-Modellen aufzubauen, die das reale mechanische Verhalten deutlich zutreffender beschreiben als die üblichen isotropen Ansätze. Durch ihre Anwendung kann die Unsicherheit bei Lebensdauerabschätzungen halbiert werden. Aufgrund der Modularität und Standardisierung der Toolbox ist vor der Simulation neuer Produkte keine reale Probe der konkreten PCBs erforderlich. Der mechanische Aufbau der Baugruppe kann dennoch bereits treffsicher optimiert werden. Das ist echtes „virtual prototyping“. Weitere Auskünfte geben die << Autoren gern. ✒| Autoren Frank Krämer, Fraunhofer CSP Halle Sven Rzepka, Fraunhofer ENAS Chemnitz Bild 4: Kalibrierte temperaturabhängige Zugsteifigkeit einer Gewebeeinzellage (Typ 2116, Doosan-Harz, 100µm dick) ten des Gewebetyps dar. Ihre Kalibrierung erfolgt genau wie im Detailmodell anhand der Zug- oder Biegesteifigkeit der PCB-Einzellage (Bild 4). Der zweite Datensatz gestattet wiederum die Validierung. Danach können auf Basis der Ergebnisse des Detailmodells alle weiteren Werkstoffparameter der Mittelschicht bestimmt werden. Weil diese anisotrope Mittelschicht den jeweiligen Gewebetyp unikal beschreibt, wirken sich auch Änderungen in der Dicke der Harzschichten auf ihr Werkstoffmodell nicht aus. Das der isotropen Harzschichten ändert sich ohnehin nicht. Damit verringert das 3-Schichtmodell den Aufwand für die modelle und die Metallisierungsebenen miteinander kombiniert. Leitebenen mit mehr als 90% Kupferanteil werden als Vollmaterial modelliert. Die wenigen Unterbrechungen und Löcher beeinflussen die mechanischen Eigenschaften nicht signifikant. Kupferbelegungen unter 40% können unberücksichtigt bleiben. Die dort nur vereinzelt auftretenden Leitbahnen versteifen das umgebende Harz nicht. Für Kupferbelegungen zwischen 40% und 90% werden effektive Materialeigenschaften per Mischungsregel berechnet. Die ANSYS-Mehrlagenelemente (Solid46, Solid186 oder SolSh190) erlauben, selbst ! | Hinweis Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung des Vortrags „A Multilayer PCB Material Modeling Approach on Laminate Theory“, den die Autoren (et.al.) auf der 9. Internat. EuroSime Conference 2008 gehalten haben. i | Information Ansprechpartner ANSYS & PCB Design bei CADFEM Dr. Evgeny Rudnyi, CADFEM GmbH Phone +49 (0) 80 92-70 05-82 E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 43 Endulen e.V. Endulen e.V. www.endulen.de Zwei Medizinstudenten haben sich nach einem Aufenthalt in Tansania entschlossen, selbst aktiv zur Verbesserung der katastrophalen medizinischen Versorgung beizutragen. Ihr beeindruckendes Projekt, das noch ganz am Anfang steht und doch schon sichtbare Erfolge hat, haben die beiden Anfang des Jahres bei CADFEM vorgestellt. Endulen ist ein kleines Dorf im Nordosten von Tansania inmitten des Ngorongoro-Nationalparks. Von der Zivilisation und dem technischen Fortschritt völlig abgeschieden lebt dort der Nomadenstamm der Massai im Einklang mit der Natur und den Tieren der afrikanischen Wildnis. Endulen ist weder an das Straßen- noch an das Stromnetz und die Wasserversorgung angeschlossen. Das einzige befestigte Gebäude dieser Gegend ist das 72-Betten-Krankenhaus „Endulen Hospital“, das für die medizinische Versorgung von 77.580 Menschen zuständig ist. Malaria, Tuberkulose, Syphilis und Verletzungen durch gefährliche Tiere wie Löwen oder Elefanten sind dort an der Tagesordnung. Der gravierendste Unterschied zu deutschen Krankenhäusern ist der Mangel an Versorgungsmaterial zur Einhaltung hierzulande gewohnter Hygienestandards. Dabei können schon geringe finanzielle Mittel, reger Erfahrungsaustausch und eine große Portion Tatkraft sehr viel bewirken! Maria Dillmann und Florian Schneider arbeiteten ein Jahr lang im Endulen Hospital als Volunteer mit. Bei ihrer Rückkehr nach 44 Infoplaner 01/2009 Deutschland stand der Entschluss fest, die Massai und die Arbeiten des Krankenhauses auch zukünftig aktiv zu unterstützen. Deswegen gründeten sie im Februar 2008 in Regensburg den Verein „Endulen e.V. – Trage es im Herzen mit!“. Was sind die Ziele von Endulen e.V.? • Wir erkennen in der persönlichen Begegnung mit den Massai und ihren Lebensumständen die wichtigsten Problemfelder. • Wir arbeiten mit den Menschen vor Ort zusammen an Planung und Durchführung konkreter Projekte. • Wir machen anderen Mut, eigene Ideen zu entwickeln, sie in die Tat umzusetzen und Eigenverantwortung zu übernehmen. • Wir leisten – im Rahmen unserer Möglichkeiten – Hilfe für überlebenswichtige Transport- oder Operationskosten. • Wir sind auch Lernende und nehmen dankbar an, was wir von unseren afrikanischen Freunden geschenkt bekommen. Einige Projekte haben wir bisher in Zusammenarbeit mit dem Krankenhaus und den Menschen in Endulen realisiert: - Sanierung des Wasserturms, Abdichten und Streichen der Wellblechdächer - Kauf von 7 stabilen Krankenbetten für die Mutter-Kind-Station - Renovierung des kleinen Operationssaals und Labors - Finanzierung der lebensrettenden Operation für ein an einer Lippen-KieferGaumen-Spalte leidendes 9-jähriges Mädchen - Unterstützung zweier kinderreicher Familien durch die Vergabe von Kleinstkrediten und Verkauf ihrer eigens hergestellten Schmuckstücke zur Finanzierung der Schulgebühren der Kinder Unsere Aktivitäten sind vielfältig und weder auf bestimmte Personen noch auf ausschließlich medizinische Projekte beschränkt. Der Verein hilft, wo Not herrscht und dringender Handlungsbedarf besteht. Endulen e.V. Die Buschklinik: 72 Betten für fast 80.000 Menschen Der kleine Operationssaal 2006 noch vor der Renovierung Der Verein „Endulen e.V. – Trage es im Herzen mit!“ ist beim Amtsgericht in Regensburg als gemeinnützig anerkannt. Für Ihre Spende, die zu 100% in die Projekte fließt, << erhalten Sie eine Spendenquittung. Mit einem Koffer voller Medikamente geht es auf in den Maria wird bei ihrer Rückkehr nach Endulen von guten Busch, um medizinische Hilfe auch in die entlegendsten Freunden herzlich begrüßt. Florian im Gespräch mit Massaifrauen Winkel zu bringen i | Information Mehr Information & Kontakt: E-Mail [email protected] E-Mail [email protected] www.endulen.de Spendenkonto Nr. 6640761 BLZ: 750 620 26 Raiffeisenbank Donaustauf-Sünching-Mintraching eG Infoplaner 01/2009 45 Materialdesign Vom Spritzguss zur Strukturmechanik: Ein Jahr DIGIMAT bei CADFEM Seit dem ersten Mausklick in der Software DIGIMAT bei CADFEM ist ziemlich genau ein Jahr vergangen. Damit ist es Zeit für einen kleinen Rückblick rund um das Thema der Mikro-/Makrokopplung und natürlich auch für einen Ausblick auf das, was DIGIMAT uns in der Zukunft bringen wird. Zur Erinnerung: DIGIMAT, das ist das virtuelle Materiallabor der belgischen Firma e-Xstream, mit dem sich Composites komplett nichtlinear und anisotrop beschreiben lassen (siehe Infoplaner 02/08). Für Ingenieure ist dies insbesondere deshalb interessant, da die Software einen kompletten Satz an Modulen zur Verfügung stellt, um im Alltag spritzgegossene Bau- Universitäten, Vertreter von Instituten, Berechnungsingenieure in der Dienstleistung, Hausgerätehersteller und OEMs waren sich einig: die Berücksichtigung der Mikrostruktur ist für faserverstärkte Polymere absolut signifikant und es besteht Bedarf für eine verbesserte Materialbeschreibung über eine für jedermann zugängige, kommerzielle Software. wird in Berechnungen mit Hilfe der implementierten Homogenisierungstheorie schnell deutlich, welche Effekte für die Materialeigenschaften eines speziellen Composites die größten Auswirkungen haben. Das ist eine Information, die gerade im Vorfeld für die Planung einer Simulation wichtig ist. So wird in Bild 2 deutlich, dass das Kriechverhalten eines Matrixpolymers deutlich weniger Einfluss auf das Gesamtverhalten des Composites haben kann als eine Variation der Mikrostruktur. Weitere Themen waren die Berechnung der Schrumpfung von spritzgegossenen Bauteilen und damit auch der initialen Spannungen innerhalb von ANSYS mit thermoelastischem Material sowie die Berücksichtigung des Materialversagens von Composites in expliziten Analysen mit LS-DYNA (siehe Bild 3). Bild 1: Vom Spritzguss zur Strukturmechanik: DIGIMAT bietet alle Module, um die Prozessierung von Bauteilen in der FEM Simulation zu berücksichtigen. teile in strukturmechanischen Berechnungen unter Berücksichtigung der lokalen Glasfaserorientierung abzubilden (Bild 1). Nach der internen Einarbeitung und ersten überzeugenden Tests wurde im Mai 2008 der Distributionsvertrag für die Software zwischen e-Xstream und CADFEM unterzeichnet. Das Feedback unserer Kunden zu dieser neuen Lösung haben wir uns auf zahlreichen Infotagen, Messen, einem Schnuppertraining und natürlich in der Multiskalen-Session „Materialdesign durch Simulation“ auf dem letzten Users’ Meeting geholt. 46 Infoplaner 01/2009 Ankopplung an Moldflow, Moldex3D Als Resultat aus diesem regen Austausch konnten wir in 2008 die praktischen Anforderungen unserer Kunden an DIGIMAT genauer verstehen und haben unsere Expertise im Bereich der Materialbeschreibung zielgerichtet ausgebaut. Hierbei stand zunächst die „alltägliche“ Berücksichtigung linear elastisch anisotroper Eigenschaften durch Ankopplung an Moldflow und Moldex3D im Vordergrund. Virtuelles Materiallabor Es hat sich auch gezeigt, das DIGMAT schon als reines virtuelles Materiallabor einen hohen Wert für den Ingenieur hat. So Spritzguss-Kompetenz Ende 2008 haben sich die ersten unserer Kunden für DIGIMAT entschieden. Damit war klar, dass das DIGIMAT Team in 2009 dringend Verstärkung brauchen würde. Hierfür konnten wir Joscha Sehnert, mit langjähriger Expertise in der Spritzgusssimulation, für unser Thema gewinnen. Der CADFEM GmbH steht jetzt also auch in diesem Bereich breites Know-how zur Verfü- Bild 2: Der Einfluss der Mikrostruktur und der Effekt von viskoelastischem Kriechen im Vergleich für ein glasfaserverstärktes Polymer (GF30). Materialdesign ✒| Autor Dr. Jan Seyfarth, CADFEM GmbH Bild 3: Versagen an einer Bindenaht – das Kriterium für die Elementlöschung wird im Composite aus der Dehnung in der Materialmatrix abgeleitet und über die DIGIMAT Schnittstelle in LS-DYNA verwendet. i | Information Weitere Informationen www.cadfem.de/materialdesign gung. Für unser Consulting bedeutet das, dass seit 2009 die komplette Kette von der Spritzgusssimulation bis zur gekoppelten Analyse in ANSYS oder LS-DYNA angeboten wird. eCADFEM: DIGIMAT „on Demand“ Eine weitere Neuerung für 2009 ist die Einführung von DIGIMAT auf dem on-Demand Service eCADFEM (www.ecadfem.com). Durch diesen Schritt wird die Einstiegsbarriere in die neue Simulationstechnologie erheblich herabgesetzt. Vor allem aber steht DIGIMAT jetzt auch kleineren Unternehmen zur Verfügung, die in der Vergangenheit vielleicht aufgrund seltenerer Anwendung von der Nutzung der Software abgesehen hätten. Aber auch beim Hersteller e-Xstream selbst hat sich in 2008 einiges getan. Die Gemeinschaft der DIGIMAT Anwender wächst täglich. Das hat sich besonders auf dem ersten e-Xstream Users’ Meeting in La Hulpe im Süden von Brüssel gezeigt. Mit 70 Vertretern aus 50 verschiedenen Unternehmen und Forschungseinrichtungen war die Veranstaltung ein voller Erfolg. Die Teilnehmer deckten inhaltlich ein breites Spektrum von Anwendungsgebieten ab, vom Materialhersteller bis hin zur Automobil- und Luftfahrtindustrie und deren Zulieferern. Neben fachlichen Anwendervorträgen stand auch die Frage im Vordergrund, in welche Richtung sich DIGIMAT in der Zukunft entwickeln wird. lable commercial software DIGIMAT. Today DIGIMAT offers an accurate and efficient way of strongly coupling the micro and the macro scale. With the future dedication of e-Xstream to the easy use of the software by their customers the next releases of DIGIMAT will give the benefit of a faster turnaround time through implementations like the DIGIMAT to Workbench interface and the parallelization of the DIGIMAT to ANSYS interface.” Im DIGIMAT der Zukunft stehen also nicht allein die Technologie sondern vielmehr die Bedürfnisse der Anwender im Vordergrund. In der Entwicklung der Workbench Schnittstelle, die von CADFEM initiiert wurde und maßgeblich vom vorhandenem ANSYS Know-how profitiert, zeigt sich, wie schnell ein Austausch aus der Sicht des Anwenders und der des Softwareentwicklers Früchte tragen kann. Für uns bei CADFEM ist auf jeden Fall eines heute schon klar: eine Zukunft mit e-Xstream und DIGIMAT wird gewiss nicht << langweilig! Ansprechpartner Dr. Jan Seyfarth, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-86 E-Mail [email protected] Joscha Sehnert, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-944 E-Mail [email protected] ! | Veranstaltungshinweis Informationstage Gekoppelte Simulation – vom Spritzguss zur Strukturmechanik Kostenfreie Veranstaltung zum Thema der gekoppelten Simulation mit DIGIMAT. Die einzelnen Module der Software werden vorgestellt und ihre Anwendung anhand von Praxisbeispielen demonstriert. Agenda • Beschreibung von Composites mit DIGIMAT-MF • Reverse Engineering von CompositeEigenschaften mit DIGIMAT-MF • Kopplung von DIGIMAT an ANSYS und LS-DYNA • Anwendung von DIGÍMAT innerhalb der ANSYS Workbench • Mapping mit DIGIMAT • Ankopplung der Spritzgusssimulation an die Strukturmechanik Termine Um es mit den Worten von Dr. Roger Assaker (CEO, e-Xstream Engineering) zu sagen: “Coming from fundamental research e-Xstream integrated advanced multi-scale modeling into the readily avai- 27. Mai 2009 in Dortmund 24. Juni 2009 in München Bild 4: Mit 70 Teilnehmern aus Industrie und Forschung war das erstes e-Xstream Users’ Meeting im November 2008 ein Weitere Information & Anmeldung voller Erfolg. www.cadfem.de/infotage Infoplaner 01/2009 47 Materialdesign Multiskalensimulation in der Praxis: Was macht den Kunststoff so komplex? Im Rahmen des neuen Themas „Materialdesign durch Simulation“ stehen bei CADFEM zwei neue Softwarepakete, DIGIMAT und Materials Studio, zur Verfügung. Bereits im letzten Infoplaner wurde berichtet, dass mit dieser Kombination aus unterschiedlichen Ansätzen der gesamte Bereich der Multiskalensimulation vom Atomaren bis hinauf in den FEM Bereich methodisch abgedeckt werden kann (Bild 1). Welchen Nutzen bieten nun derartige Berechnungen dem Ingenieur in der Praxis? Ein Eindringen in die Details von Materialien im Sinne der Multiskalensimulation bedeutet automatisch, dass man sich mit deren Eigenschaften und Effekten auseinandersetzt. Eine Werkstoffklasse, die ein besonders komplexes Verhalten an den Tag Bild 1: Beim Thema „Materialdesign durch Simulation“ wird das experimentelle Wissen um Werkstoffeigenschaften durch Multiskalensimulationen mit den Softwarepaketen DIGIMAT und Materials Studio ergänzt. legt, sind die Kunststoffe. Dabei werden Polymere gerade durch ihre einfache und flexible Verarbeitung und ihr geringes Gewicht für viele Anwendungen immer interessanter. Doch was macht die Eigenschaften von Kunststoffen aus? In dem Moment, in dem diese Frage gestellt ist, bewegt man sich bereits in einer Diskussion, die auf vielen unterschiedlichen Skalen geführt werden muss. Um gewünschte Eigenschaften zu erzielen, werden Kunststoffe auf sehr breiter Ebene variiert. Wichtig sind die internen Wechselwirkungen im Material, die durch unterschiedliche Chemie, den Vernetzungsgrad oder auch den Zusatz von Additiven 48 Infoplaner 01/2009 Grundlage ist die kleinste molekulare Wiederholeinheit des Polymers. Aus der Anordnung der Atome wird eine breite Palette von Eigenschaften halbquantitativ mit Erfahrungswerten ähnlicher Stoffe abgeglichen, die in einer Datenbank hinterlegt sind. Auf diese Weise werden die Charakteristika des neuen Stoffes in Sekundenschnelle über den vorgegebenen Temperaturbereich abgeleitet. Für Ingenieure interessant ist dabei das Verhalten von Kompressionsund Schubmodul, die Bruchspannung oder auch die Fließgrenze bei Verscherung des Materials. Obwohl halbquantiBild 2: Mit dem Modul Synthia können in Materials Studio die mechanitativ ist dieser Ansatz schen Eigenschaften von Polymeren schnell und effektiv über breite Temalso gerade deshalb peraturbereiche abgeschätzt werden. spannend, weil sich eine breite Palette von Eigenschaften schnell und günstig abte, zum Beispiel ihre Empfindlichkeit geleiten lässt und damit eine Ergänzung zu genüber Umgebungsvariablen wie Temteuren Experimenten gegeben ist. peratur oder Feuchtigkeit, kommen dann im praktischen Einsatz der Werkstoffe noch Eine weitere Eigenschaft, die von hohem hinzu. Im Folgenden sollen einige BeispieInteresse, aber experimentell nur schwer le gegeben werden, wie mittels Multiskamessbar ist, ist die anisotrope Steifigkeit lensimulationen die vorhandene Datenvon Materialien (Bild 3). Bei kristallinen grundlage ergänzt und ein besseres VerKunststoffen liegen zum Beispiel die Polyständnis für Kunststoffe erlangt werden merketten in paralleler Anordnung nekann. beneinander, was zu signifikant unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften Die Frage nach der Temperaturabhängigentlang und senkrecht zu den Ketten führt. keit von Kunststoffen lässt sich in Materials Mit Materials Studio lassen sich sehr einStudio mit Hilfe des QSAR Ansatzes (Quanfach atomare Strukturen kristalliner, aber titative Structure Activity Relationship) syauch amorpher Kunststoffe erstellen. Aus stematisch untersuchen (Bild 2). Dieses Prindiesen Modellen wird dann mittels atozip fußt bereits in der atomaren Struktur. und Füllstoffen verändert werden. Die Polymere im Alltag sind also komplexe Mischungen. Und gerade das macht ihr Verhalten und damit auch eine Beschreibung dieser Materialien in der Simulation von Bauteilen so schwierig. Zusätzliche Effek- Materialdesign Bild 5: Mikrostrukturelle Effekte aus der Prozessierung von gefüllten Kunststoffen, wie sie zum Beispiel bei der Ausbildung Bild 3: Durch die Abbildung der Materialien auf atomarem Level kann in Materials Studio die komplette anisotrope Steifigkeit von Bindenähten im Spritzguss auftreten, können mit der berechnet werden. Software DIGIMAT untersucht werden. marer Simulationsmethodik die anisotrope Steifigkeit berechnet. In einem weiteren Schritt können diese Ergebnisse in die Software DIGIMAT überführt und so auf Mikroebene Modelle für semikristalline Kunststoffe erstellt werden. Über die direkte Schnittstelle zu ANSYS bzw. LS-DYNA lassen sich derartige Modelle dann in der FEMSimulation von Bauteilen einsetzen. Aber nicht alle Phänomene im Werkstoff lassen sich allein über statische Eigenschaften abbilden. Die Mischung von Polymeren in Blends und deren anschließende Prozessierung kann zu unterschiedlichen Strukturen in der Submikroebene führen. Den Zugang zu dieser mesoskopischen Skala liefert das Verfahren des „Coarse Graining“ (Bild 4). Ziel ist es hier, eine gröbere Abbildung des Materials zu liefern, die zwar dem atomaren Aufbau ähnelt, deren volle Details jedoch nicht abbildet. Der Vorteil der Methode liegt darin, dass die Dynamik im Polymer über die gröberen Modelle über einen längeren Zeitraum simuliert werden kann. So lässt sich die Entstehung von Mesophasen oder auch die Bewegung kleiner Moleküle wie Wasser im Kunststoff mechanistisch untersuchen. In einem nächsten Schritt können aus solchen Berechnungen wieder Werkstoffeigenschaften abgeleitet werden. Oberhalb der Mesoebene werden die reinen Kunststoffe durch Zumischung von Füllstoffen in Composite-Materialien mit definierten Eigenschaften verwandelt. Ein Ziel dieses Vorgehens ist zum Beispiel eine Erhöhung der Steifigkeit des Materials. In der Simulation kann dieser Schritt mit Hil- fe der Software DIGIMAT nachvollzogen werden (siehe auch Artikel auf S. 46). DIGIMAT bietet hier zwei unterschiedliche Ansätze. Zum einen können Mikrostrukturen direkt mit Hilfe der FEM untersucht werden, was ein genaues Bild der Eigenschaften im Material liefert. Das können auf mechanischer Seite die Spannungen im Material sein, aber auch die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Composites lassen sich berechnen. Die gemittelten mechanischen Eigenschaften können letztlich über die Schnittstellenfunktion von DIGIMAT in der FEM-Berechnung von gan<< zen Bauteilen eingesetzt werden. ✒| Autor Autor und Ansprechpartner Dr. Jan Seyfarth, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-86 E-Mail [email protected] ! | Veranstaltungshinweis Auf dieser Tagung des Hanser-Verlags werden die neuesten Ansätze zum Thema Simulation im Kunststoffbereich diskutiert. CADFEM ist aktiv an der Programmgestaltung, mit einem Fachvortrag und einem Ausstellungsstand beteiligt. Bild 4: Mesoskopische Simulationen benötigen eine besondere Form der Abbildung der Materie. Materials Studio bietet Methoden, mit denen das Vergröbern atomarer Strukturen im Verfahren des „Coarse Graining“ größtenteils automatisch abläuft. www.hanser.de/simulation Infoplaner 01/2009 49 LS-DYNA Eigenschaftsbestimmung zellulärer Wabenkernstrukturen anhand virtueller Tests Wabenkerne werden in zahlreichen Leichtbau-Sandwichstrukturen eingesetzt und zeichnen sich durch eine Vielfalt an möglichen geometrischen Zellkonfigurationen aus. Explizite dynamische Simulationsmethoden ermöglichen die effiziente Bestimmung der mechanischen Eigenschaften solcher Wabenkerne anhand virtueller Prüfungen. Sandwichverbunde, bestehend aus zwei dünnen, steifen Deckschichten und einem vergleichsweise dicken, möglichst leichten Kern, finden aufgrund ihres exzellenten Leichtbaupotenzials neben Hightechanwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder Formel 1 auch zahlreiche Anwendungen im Schienen- und Straßenfahrzeugbau, im Bauwesen und in der Möbel- und Verpackungsindustrie. Neben Schäumen werden hierbei insbesondere Wabenkerne eingesetzt, die oftmals, dem natürlichen Vorbild der Honigwaben entsprechend, eine hexagonale Zellstruktur besitzen (Bild 1). Je nach Anwendungsfall, der etwa eine maximale Druckfestigkeit, Schubfestigkeit, Verformbarkeit oder Belüftbarkeit des Kerns erfordern kann, steht der idealen geometrischen Auslegung der Zellstruktur ein großer Designspielraum offen. Auch Untersuchungen neuer kostengünstiger Herstellungsprozesse können Treiber für die Entwicklung neuer Kernstruk- Bild 1: Verschiedenartige Wabenkernstrukturen 50 Infoplaner 01/2009 turen sein. Dies führte neben den Hexagonalwaben in den letzten Jahren zu der Entstehung zahlreicher alternativer Zellkonfigurationen (z.B. Flexcore, Tubuswaben oder Faltwaben). Vorteil virtueller Tests Da die Auslegung eines Sandwichbauteils die genaue Kenntnis der mechanischen Eigenschaften der meist anisotropen Kernstrukturen erfordert, sind hierfür umfangreiche Versuchsreihen notwendig. Gerade bei innovativen Kernstrukturen oder einer Kerngeometrieoptimierung umfasst dies auch eine aufwändige Prototypenherstellung. Eine effiziente Alternative besteht daher in der virtuellen Prüfung von Kernstrukturen mit Hilfe expliziter dynamischer Simulationscodes wie LS-DYNA. Derartige virtuelle Tests können Simulationen von Druck-, Zug-, oder Schubversuchen in sämtlichen Materialrichtungen oder auch kombinierte Belastungen darstellen. Für die Validierung dieser Simulationsmodelle ist nur ein Minimum an experimentellen Daten erforderlich. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, bedarf es jedoch der Berücksichtigung zahlreicher Einflussfaktoren, die im Folgenden dargestellt werden. Materialmodellierung der Zellwände Die Grundlage virtueller Tests bildet das Mesomodell der Wabenkernstruktur mit Schalenelementen für die Zellwände (Bild 2, Bild 3), welches idealerweise auf parametrischer Basis erstellt wird, um Geometrieänderungen einfach vornehmen zu können. Als Zellwandmaterial können unterschiedlichste Werkstoffe zum Einsatz kommen. Zellwände aus duktilen Materialien zeigen unter Druck- oder Schublast typischerweise ein Beulmuster als Stabilitätsversagen, gefolgt von einem kontinuierlichen Zusammenfalten im Drucklastfall. Hierzu zählen Waben aus Aluminium und auch dünnem Phenolharz-imprägniertem Nomex-Wirrfaserpapier. Auf der anderen Seite stehen spröde Werkstoffe wie Faserverbundlaminate, wo es je nach Wanddicke auch zu einem Beulen kommen kann, welches dann jedoch von einem Materialbruch gefolgt wird. Während die Materialmodellierung der Zellwände bei isotrop zu betrachtenden Werkstoffen wie Aluminium oder etwa Polypropylen noch vergleichsweise überschaubar ist, ist dies bei Faserverbundlaminaten oder imprägniertem Nomex-Papier wesentlich komplexer. Oft unzureichende Kennwertangaben und Materialkurven aus der Literatur sind bei eher exotischen Materialien durch zusätzliche Prüfserien abzusichern. Das Nomex-Papier der verbreiteten Nomex-Honigwaben zeigt hierbei z.B. ein richtungsabhängiges elasto-plastisches Materialverhalten, welches mit einem passenden Materialmodell in LS-DYNA abbildbar ist. Imperfektionen Auch mit einem noch so präzise eingestellten Materialmodell wird ein ideal einheitliches Mesomodell die Realität nicht abbilden können, da sich alle zellulären Strukturen durch herstellungsbedingte Imperfektionen auszeichnen, die einen starken Einfluss auf die elastischen Eigenschaften Bild 2: Honigwaben-Modell und das Beul- oder Festigkeitsversagen haben. Diese Imperfektionen können sowohl geometrischer Natur sein (z.B. irreguläre Zellformen, unebene Zellwände, Wanddickenschwankungen) als auch innerhalb des Zellwandmaterials auftreten (z.B. Risse, Poren, Harzanhäufungen in Ecken) und müssen mit geeigneten Mitteln im Modell Bild 3: Faltwaben-Modell LS-DYNA berücksichtigt werden. Als Grundlage hierfür ist zunächst eine genaue Kenntnis der vorhandenen Imperfektionen erforderlich, die z.B. anhand von mikroskopischen Aufnahmen charakterisiert werden können. Möglichkeiten der Implementierung von geometrischen Imperfektionen können von der globalen Verzerrung der Zellgeometrie im parametrischen Modell vor der Vernetzung über die lokale Verzerrung sämtlicher Knotenkoordinaten (Nodeshaking) bis hin zur Superposition der ersten Beulmoden auf die Zellwandnetze reichen. Materialimperfektionen können etwa durch stochastisch verteilte Änderungen der Materialparameter oder Wanddicken einzelner Elemente eingebracht werden. Einflüsse auf das Simulationsergebnis Zahlreiche weitere Faktoren haben einen Einfluss auf das Simulationsergebnis, allen voran die Netzfeinheit, die in Konvergenzstudien eingestellt werden muss, da zu grobe Netze das Beulen und Falten der Zellwände nicht korrekt abbilden können. Auch die Modellgröße, also die Zahl der Einheitszellen, sowie die Randbedingungen spielen eine Rolle. Im Simulationsmodell kann mit periodischen Randbedingungen eine theoretisch unendlich große Wabenstruktur betrachtet werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine Vergleichbarkeit zu Versuchsdaten im Rahmen der Validierung gegeben sein soll, und dass der freie Rand der realen Probe einen großen Einfluss auf das Strukturverhalten hat. Da in der Realität auch nicht alle Zellen gleichzeitig versagen, sondern – imperfektionsbedingt – in einer gewissen Abfolge, so sind die Lastkurven bei größeren Proben auch typischerweise glatter als etwa bei Einzelzellenmodellen, bei denen jede Zellwandfaltung einen Kurvenausschlag zur Folge hat. Als weiterer Einflussfaktor ist die Simulationszeit bzw. die Lastgeschwindigkeit zu nennen. Da das mechanische Verhalten von Wabenkernstrukturen lastratenabhängig ist und bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten die Zellwandträgheiten bei den Faltungsvorgängen eine Rolle spielen, ist die Lastrate derjenigen des Vergleichsversuchs anzupassen. Da Versuchsdaten meist von quasistatischen Tests zur Verfügung stehen, bietet sich die Technik der Massenskalierung an, um durch Zeitschritterhöhung eine akzeptable Rechenzeit zu erhalten. 52 Infoplaner 01/2009 Simulationsergebnisse Mit einem validierten Modell können virtuelle Druck-, Zug- oder Schubversuche in allen Materialrichtungen durchgeführt werden, um auf diese Weise die kompletten nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Kurven zu erhalten. Der Kurvenverlauf im Bereich großer Dehnungen ist insbesondere für Energieabsorptionsanwendungen von Bedeutung. Diese vollständigen Daten sind in der Regel weder in den Datenblättern der Wabenhersteller zu finden noch Gegenstand typischer Versuchreihen, die normalerweise nur wenige Lastfälle in einzelnen Richtungen umfassen (i.d.R. Druck in Dickenrichtung und Transversalschub). Während das strukturelle Zellwanddeformationsverhalten von Papierwaben (z.B. Nomex) sowie die zugehörigen Span- fe des parametrischen Modells konnte auf sehr effektive Weise im Rahmen einer Optimierungsstudie eine verbesserte Zellgeometrie ermittelt werden, die durch eine Verkleinerung der Zellwandflächen sowie eine geänderte Ausrichtung zur Lastrichtung zu einer signifikant gesteigerten Druckfestigkeit führte. Zur Überprüfung der Simulationsergebnisse wurden Prototypen allein dieses Geometrietyps hergestellt und getestet. Diese Versuchsdaten belegten die Richtigkeit der berechneten Kennwerte. Zusammenfassung Virtuelle Tests von Wabenkernstrukturen mit Hilfe von parametrisch erstellten Modellen in LS-DYNA haben sich als effizientes Tool und Alternative zu experimentellen Probenprogrammen bewährt. Mit einer geeigneten Materialmodellierung der Zellwände sowie der Berücksichtigung von Imperfektionen können die Modelle das reale Zellwanddeformationsverhalten mitsamt der zugehörigen Spannungs-Dehnungs-Kurven wiedergeben und damit insbesondere im Entwicklungsprozess neuer << Kerngeometrien eingesetzt werden. Bild 4: Zallwanddeformation einer Nomex HonigwabenEinzelzelle unter Drucklast nungskurven in sehr guter Übereinstimmung mit Versuchsergebnissen abgebildet werden können (Bild 4), so ist das spröde Bruchverhalten etwa von CFK-Waben eine größere Herausforderung. Werden Elemente nach üblicher Vorgehensweise nach einem spröden Versagen erodiert, so ergibt sich eine Kontaktproblematik zwischen den separierten oberen und unteren Modellhälften, so dass hier nur das Strukturverhalten bis zum Versagen zuverlässig ausgewertet werden kann. Anwendung für Geometrieoptimierung Das größte Potenzial dieser Methode der virtuellen Tests an Wabenkernstrukturen liegt zweifelsohne in der Entwicklung neuer, für spezielle Anwendungen optimierter Zellgeometrien. Kostspielige Herstellungen und Prüfungen von Proben sowie Fertigungsmitteln können auf ein Minimum reduziert werden. Als Fallbeispiel sollte eine existierende Faltwabenstruktur hinsichtlich ihrer Druckfestigkeit optimiert werden. Die globale Dichte sollte dabei identisch bleiben, sowie weitere Randbedingungen in Bezug auf die Herstellbarkeit erfüllt sein. Mit Hil- ✒| Autor Dr. Sebastian Heimbs, EADS Innovation Works, München ! | Hinweis Dieser Beitrag ist eine Zusammenfassung des Vortrags „Virtual Testing of Sandwich Core Structures with LS-DYNA“, den der Autor auf dem 26. CADFEM Users´ Meeting 2008 in Darmstadt gehalten hat. ❑ | Bilder EADS Innovation Works, München i | Information Weitere Informationen www.eads.net Ansprechpartner LS-DYNA bei CADFEM: Dr.-Ing. Matthias Hörmann Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41 E-Mail [email protected] Medizin und Biomechanik Simulation in Medizin & Biomechanik FEM-Simulationen und Medizin rücken enger zusammen. Daher hat CADFEM seit zwei Jahren in diesem Bereich gezielt Know-how aufgebaut. Inzwischen ist der Geschäftsbereich Medical mit seiner Kernmannschaft aus drei Ingenieuren zu einer gefragten Anlaufstelle von Medizinern, Biomechanikern und Ergonomiespezialisten, die sich mit dem Thema Simulation beschäftigen, geworden. ! | Hinweis Auszeichnung Gewinner Innovationswettbewerb Medizintechnik CADFEM ist Mitglied des Forschungsteams, das unter Führung der Medizinischen Hochschule Hannover zu den Gewinnern des Innovationswettbewerbes Medizintechnik 2007 gehörte. Entwickelt werden sollen neuartige Cochlea-Implantate, die sich mit Hilfe von Formgedächtnismetallen optimal an die Form der individuellen Hörschnecke Um FEM effizient für die Analyse medizinischer Fragestellungen einsetzen zu können, reicht die Verfügbarkeit und Beherrschung einer FEM-Software alleine nicht aus. Das beginnt bereits bei der Geometrieerstellung, für die in der Regel keine CAD-Daten vorliegen. Diese müssen auf der Basis von bildgebenden Verfahren rekonstruiert werden und liegen auch dann nur im sogenannten STL-Format vor, das wiederum besondere Anforderungen an die Vernetzung stellt. Eine weitere Herausforderung ist die Ermittlung realistischer Randbedingungen. Denkt man beispielsweise an die Auslegung von Implantaten jeglicher Art, so ist die korrekte Abbildung der relevanten Belastungsszenarien von herausragender Bedeutung. Hinzu kommt das komplexe Verhalten von menschlichem Gewebe, das in der Regel hochgradig nichtlineare Eigenschaften aufweist und besondere Anforderungen an die Materialbeschreibung stellt. Vom CT/MRT-Bild zum FEM-Modell Genau in diesen Bereichen hat CADFEM Expertise aufgebaut. In Zusammenarbeit mit der Partnerfirma Materialise, u.a. ein Spezialist für das Segmentieren medizinischer Bilddaten, wurde ein stabiler Workflow entwickelt, der den gesamten Prozess von den bildgebenden Verfahren (CT/MRT) zu einem FEM Modell abdeckt. anpassen. Das Vorzeigeprojekt wird seit Ende 2008 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Simulation des menschlichen Bewegungsapparates mit AnyBody AnyBody ist eine einzigartige Software, mit der sich Muskel- und Gelenkkräfte im menschlichen Bewegungsapparat bei beliebigen Bewegungen bestimmen lassen. Diese Kräfte können über eine neue Schnittstelle als Randbedingung in ANSYS übertragen werden (vgl. auch Bericht auf der folgenden Seite). www.mhh-hno.de/forschung/ klinische_forschung.htm Infoplaner 2007-1, S. 38/39 i | Information Ansprechpartner Christoph Müller, CADFEM GmbH Materialgesetze Für die Materialgesetze bietet ANSYS bereits im Standard viele Modelle. Darüber hinausgehende Materialgesetze zur Abbildung des menschlichen Gewebes können von CADFEM sowohl entwickelt als auch in ANSYS implementiert werden. Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43 E-Mail [email protected] ! | Veranstaltungshinweis Informationstage FEM-Simulation in der Prothetik Funktionsweise & Anwendungs- Aus der engen, multidisziplinären Kooperation von CADFEM mit innovativen Forschungseinrichtungen wie dem Klinikum Rechts der Isar in München sind mehrere Forschungsprojekte entstanden, in deren Rahmen Lösungen für patienten-indviduelle FEM Simulationen entwickelt werden. Darüber hinaus bietet CADFEM Medical Seminare für Mediziner und bietet spezifische Softwarelösungen sowie Consulting<< dienstleistungen an. spektrum Termine 23. April 2009 in Hannover 30. April 2009 in Aadorf (CH) 14. September 2009 in Stuttgart Die Teilnahme ist kostenfrei Weitere Informationen, Agenda www.cadfem.de/infotage Infoplaner 01/2009 53 Medizin und Biomechanik AnyBody: Fit durch Raum und Zeit Wie können Astronauten dem Muskel- und Knochenschwund bei längeren Aufenthalten im All entgegenwirken? Eine Machbarkeitsstudie mit der Software AnyBody verifiziert Fitnessübungen, mit denen dem Muskel- und Knochenabbau bei längeren Aufenthalten in der Schwerelosigkeit entgegengewirkt werden kann. Bild 1: Modifiziertes Ganganalysemodel: Bild 2: Dehnungen in der Tibia beim Gehen Bild 3: Dehnungen in der Tibia unter Schwe- Bild 4: Dehnungen in der Tibia unter Schwe- rot-blaue Linien symbolisieren das Gurt- unter normalen Schwerkraftbedingungen relosigkeit bei einer Federvorspannung von relosigkeit bei einer Federvorspannung von 80% des Körpergewichtes 100% des Körpergewichtes system mit den roten Elementen als Federn Bei längeren Aufenthalten im schwerelosen Raum haben Astronauten mit starkem und schnellem Muskel- und Knochenschwund zu kämpfen. Bei Rückkehr auf die Erde können sie nur mit Hilfe aus der Raumkapsel aussteigen und müssen sich einem langwierigem Training zum Wiederaufbau des muskuloskelettalen Systems unterziehen. Alle an der Internationalen Raumstation ISS beteiligten Raumfahrtbehörden sind deshalb daran interessiert, Trainingsmethoden zu entwickeln, die dieses Phänomen am besten verhindern oder zumindest verzögern. Allerdings sind noch nicht alle Ursachen eindeutig für den Muskel- und Knochenabbau identifiziert. Eine Hauptursache ist die durch die Schwerelosigkeit induzierte Nichtbelastung des Bewegungsapparates. Um angepasste Übungen zu verifizieren sind in der Regel Langzeittests unter Schwerelosigkeit notwendig. Das bedeutet aber gleichzeitig hohe Kosten durch den Transport und den Test der notwendigen Ausrüstung auf der ISS. Bisherige Trainingsmethoden sehen vergleichsweise archaisch aus: die Astronauten trainieren auf einem Laufband und werden in ein Gurtsystem gespannt, was über 54 Infoplaner 01/2009 Federn eine Vorspannung auf das Laufband erzeugt. Beim Wählen einer entsprechenden Vorspannung, typischerweise 80 – 100 % des Körpergewichtes, wird versucht die Lastbedingungen massiv zu erhöhen. Doch was bringt dieses Training? Völlig losgelöst: Berechnung der Muskelkräfte mit AnyBody Eine Idee zur Erklärung des Verlustes von Muskel- und Knochenmasse sind fehlende Dehnungen im Knochen, dessen Ursache die auftretenden Muskelkräfte sind. AnyBody bietet eine ideale Möglichkeit, diese Muskelkräfte zu berechnen. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurden durch die Eliminierung der Schwerkraft in der Simulation und die Nachbildung des mechanischen „Laufband-Gurtsystems“ die Bedingungen auf der ISS nachgebildet. AnyBody Technology in Dänemark hat dazu ein neuentwickeltes Beinmodell und ein Ganganalysemodell verwendet (Bild 1). AnyBody hat die zum Gangschema passenden Muskelkräfte berechnet. CADFEM hat aufgrund dieser Daten ein von AnyBody Technology vorbereitetes Geometrie-Modell der Tibia mit diesen Randbedingungen versorgt und eine FEM-Analyse durchgeführt. Ergebnisse der Simulation sind die Dehnungen in der Tibia unter normalen Schwerkraftbedingungen, Schwerelosigkeit und eine Federvorspannung mit 80% des Körpergewichtes und eine Federvorspannung mit 100% des Körpergewichtes. Man kann sehr deutlich die unterschiedlich großen Dehnungsfelder an der Tibia erkennen (Bild 2 – 4). Wie vermutet sind die Dehnungen unter Schwerkraft am höchsten. Allerdings lässt sich auch ein signifikanter Unterschied beim Vergleich 80% zu 100% Körpergewicht Federvorspannung erkennen. Dies bedeutet eine erhöhte Belastung des Knochens und somit eine Verzögerung des Muskel- und Knochenabbaus. Endurance Training System Um das Training zu optimieren wurde von der ESE GmbH in Chemnitz unter ESA Vertrag 18.596 ein sogenanntes „Endurance Training System“ entwickelt. Was aussieht wie eine Rudermaschine (Bild 6), ermöglicht den Astronauten ein spezielles Ganzkörper-Training: es muss nicht nur gezo- Medizin und Biomechanik Bild 5: Prototyp des „Endurance Training System“ gen werden, wie bei einer klassischen Rudermaschine, sondern die Rückwärtsbewegung muss ebenfalls aktiv mit Kraft ausgeführt werden. Diese Maschine wurde ebenfalls mit AnyBody untersucht, um zu garantieren, dass alle Muskelgruppen in ähnlichem Umfang gefordert und trainiert werden. Ein Prototyp existiert bereits um die Simulation in reellen Tests weiter zu bestätigen. ✒| Autor Autor und Ansprechpartner Alexander Nolte, CADFEM GmbH Tel. +49 (0) 80 92-70 05-49 E-Mail [email protected] ! | Veranstaltungshinweis Informationstage Biomechanische Simulation der ESE GmbH, Chemnitz Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit AnyBody Technology A/S, Aalborg, DK unter Entwicklungsvertrag 21.385 des European Space Research & Technology Center ESTEC, Noordwijk, NL durchgeführt. mit AnyBody Termine 19. Mai 2009 in Wien 13. Oktober 2009 in Stuttgart << Die Teilnahme ist kostenfrei Weitere Informationen, Agenda www.cadfem.de/infotage Bild 6: Untersuchung der Trainingsmaschine mit dem AnyBody Modeling System Grundlagen & Technologie Studie zur Implementierung der XFEM in ANSYS In einer Studie, die in Zusammenarbeit zwischen der CADFEM und der Fachhochschule Hannover entstand, sollte die Machbarkeit der Implementierung der XFEM in ANSYS gezeigt werden. Neben der Umsetzung der Theorie für linear elastische 2D Elemente sollte ein geeignetes Pre- und Postprocessing entwickelt werden. Eine bislang gängige Vorgehensweise in der Bruchmechanik war die Modellierung des Risses über die Geometrie und eine verdichtete Vernetzung um die Rissspitze oder die Verwendung von speziellen RissspitzenBild 1: Unterteilung der Geometrie mit Hilfe elementen (Viertelspunkteleder LSF mente). Die Abbildung des Risswachstums erfordert in der Standard-Methode ein verändertes Geometriemodell. Dieses hat ein im Ganzen verändertes Netz zur Folge. Damit kann nicht mehr unterschieden werden, welche Änderungen der Ergebnisse auf die Rissöffnung und welche auf die Netzveränderung zurückgehen. Um solche Netzabhängigkeiten zu umgehen, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene netzunabhängige Verfahren, wie die Element Free Galerkin Method, Smooth Particle Method oder die eXtended Finite Element Method, entwickelt. Funktionen beschreibt dann die genaue Rissgeometrie. Die Werte der LSF außerhalb der Risszone sind ohne Belang und können beliebig gewählt werden. Globale Anreicherungsfunktionen Risse sind starke Diskontinuitäten (Sprung im Verschiebungsfeld), für die eine Anreicherungsfunktion gefunden werden muss, die einen Sprung aufweist. Hier wird die Heavyside-Funktion (HSF), die nur die Werte 0 und 1 annimmt, verwendet. Werden diese Sprungfunktionen auf die LSF angewandt, erhält man die globalen Anreicherungsfunktionen zur Beschreibung der Diskontinuität. Lokale Anreicherungsfunktionen Standard-FE-Ansätze weisen jedem Punkt einen Verschiebungswert zu, der sich aus Ansatzfunktionen mal Knotenverschiebungen ergibt. Darum muss der Wert der Anreicherungsfunktion (hier Heavyside) an einem beliebigen Punkt durch diesen Wert minus dem Wert am zugeordneten Knoten ersetzt werden, sodass sich dort immer der Wert 0 ergibt (shifting). ➔ XFEM-ALLGEMEIN Bei der XFEM handelt es sich um eine FE-Methode, bei der der Verschiebungsansatz für DisBild 2: Rissspitzenfunktion (angegeben in kontinuitäten, hier Risse, erweipolaren Koordinaten, dargestellt in karthetert wird. Ferner ist eine Erweisischen Koordinaten) terung um spezielle Funktionen für den Verschiebungsverlauf in der Umgebung der Rissspitze möglich, die aus analytischen Lösungen der linear elastischen Bruchmechanik gewonnen werden. Die XFEM ist also zum Einen bestens geeignet um Diskontinuitäten abzubilden und zum Anderen ist sie eine Erweiterung der FEM und kann somit auf bereits bestehende Elementprogrammierungen aufgesetzt werden. THEORIE Level-Set-Funktionen Zur Beschreibung der Diskontinuitäten werden so genannte Level-Set-Funktionen (LSF) verwendet. Für diesen Anwendungsfall werden zwei LSF benötigt. gibt an, ob ein Punkt links oder rechts neben dem Riss liegt und gibt an, ob ein Punkt vor oder hinter der Rissspitze liegt (Bild 1). LSF können entweder globale Funktionen sein, die unabhängig vom Netz sind (z.B. für zu optimierende Löcher), oder wie in diesem Fall diskrete Funktionen, wobei Knoten Werte zugewiesen werden und diese mit den Ansatzfunktionen interpoliert werden. Der Nulldurchgang dieser 56 Infoplaner 01/2009 (1) Das führt zu jeweils ähnlichen Verläufen der knotenbezogenen Anreicherungsfunktionen und ist günstig für die Darstellung des Verlaufes in den angrenzenden Elementen. Die Anreicherungsfunktion wird mit den StandardAnsatzfunktionen multipliziert und ergibt so die Ansatzfunktionen der Zusatzterme für die Diskontinuitäten. Es ergeben sich zusätzliche Unbekannte (Knotenfreiheitsgrade), die den Cha- Bild 3: Oben: Überlagerung von 2 HSF; rakter von Verschiebungen ha- Mitte: Überlagerung mit Ansatzfunktion; ben, aber keine Knotenver- Unten: entspricht zwei Teilelementen ohne schiebungen sind. Diese Frei- Knoten an der Trennfuge heitsgrade müssen Knoten zugewiesen sein, damit die Kontinuität des Risses über die Elementgrenzen hinaus gewährleistet ist. Letztendlich ergibt sich die Approximation der Verschiebung in vollständig gerissenen Elementen wie folgt: (2) Rissspitzenfunktionen Um die Verhältnisse an der Rissspitze besser abbilden zu können, Grundlagen & Technologie sollten analytische Lösungen aus der linear elastischen Bruchmechanik (Bild 3) als Anreicherungen benutzt werden. Sie enthalten -1 in den Verschiebungen. Beim Ableiten wird daraus , sodass sich eine Spannungssingularität ergibt. Diese Rissspitzenanreicherungen werden auf alle Knoten in einem definierten Radius um die Rissspitze angewandt. Addiert man diese Terme zu denen aus Gleichung (2) erhält man die vollständige Approximation des Verschiebungsfeldes über das gesamte Gebiet. (3) Integration / Steifigkeitsmatrix Somit ergeben sich drei unterschiedliche Konfigurationen der Freiheitsgrade. Knoten, die vollständig außerhalb der Risszone liegen, erhalten die üblichen zwei Verschiebungs-Freiheitsgrade. Knoten von vollständig gerissenen Elementen unterliegen der Sprunganreicherung durch die HSF und erhalten somit zwei zusätzliche Freiheitsgrade. Knoten im Bereich der Rissspitzenanreicherung bekommen pro Rissspitzenfunktion je zwei zusätzliche Freiheitsgrade (hier insgesamt acht DOF). Die Anreicherung führt zu einer in jeder Richtung um die Anzahl der zusätzlichen Freiheitsgrade vergrößerte Elementsteifigkeitsmatrix. Daraus folgt, dass die Gesamtsteifigkeitsmatrix zwar aufgebläht wird, jedoch ihre EigenBild 4: Darstellung der LSF schaften wie zum Beispiel die für das Preprocessing Bandstruktur beibehält. Jedoch ist zu beachten, dass der Integrand unstetig im Element ist. Es wäre zwar möglich, das Integral mit einer Vielzahl von Integrationspunkten zu bilden, die gleichmäßig über das Mutterelement verteilt sind, richtig und im Hinblick auf Genauigkeitsfragen im Zusammenhang mit speziellen Rissspitzenfunktionen nötig ist aber eine Integration über die Teilgebiete. IMPLEMENTIERUNG Preprocessing Nach der Vernetzung muss der Benutzer dem Programm die Rissgeometrie mitteilen. Dies geschieht über Definition der LSF, die über „nodal body forces“ eingegeben wird (Bild 4). Schnittstelle Es hat sich gezeigt, dass die UserElem.F Routine, die das User-Element 300 steuert, am besten geeignet ist. Diese Routine bietet die Möglichkeit einer vollständigen Elementprogrammierung. Vom Aufbau der Elementsteifigkeitsmatrix bis hin zum Werkstoffgesetz kann der Benutzer selbst Einfluss nehmen. Durch zahlreiche Routinen, die von ANSYS zur Verfügung gestellt werden, ist ein schneller und einfacher Zugriff auf benötigte Größen wie Knotenkoordinaten, Knotenverschiebungen u.v.a. möglich. bei Netzverfeinerung untersucht und mit einem konventionell diskretisierten Riss verglichen. PLANE42 ohne extra Shapes zeigte das schlechteste Konvergenzverhalten. Mit extra Shapes (entspricht PLANE182 mit Enhanced-Strain-Formulierung) gab es eine leichte Verbesserung. PLANE82 (entspricht PLANE183) ergab eine deutliche Verbesserung, die Rissspitzenanreicherung blieb jedoch die deutlich beste Lösung. Bild 5: Darstellung geöffneter Rissflanken durch Pseudoelemente im Postprocessing (feste Einspannung unten, Knotenkräfte in normalen Richtung an den Seiten) Postprocessing Für das Postprocessing können Gaußpunkte und die Art der Anreicherung über den Elementen Bild 6: Oben: Standard Postprocessing; geplottet werden. Weiterhin Unten: Postprocessing mit Pseudoelementen werden Pseudoelemente entsprechend den Teilgebieten, die bei der Integration der Elemente entstehen, entlang der Rissfront erzeugt. Anschließend werden über die Befehle DNSOL und DESOL den Knoten die entsprechenden Verschiebungen und den Elementen die entsprechenden Spannungen zugewiesen (Bild 5). Dies hat zwei Vorteile. Einerseits kann ein tatsächlich geöffneter Riss gesehen werden und nicht nur verzerrte Elemente und andererseits ist es so möglich, Auswertungen an den Rissflanken vorzunehmen. AUSBLICK 1. Erweiterung der Implementierung: • mehrere Rissspitzen mit Rissspitzenanreicherung (bislang nur für HSF-Anreicherung) • geknickter Rissverlauf für Rissspitzanreicherung • Berechnung von Risswachstum (Einbindung von bruchmechanischen Kennwerten) • 3D-Anwendungen 2. Anwendung der Methode auf: • Delamination von Schalen mit Schichtbau • Ausbildung von Scherbändern • Degradation von Laminaten • Schädigung von Kohäsivzonen ✒| << Autor Autoren und Ansprechpartner Oliver Siegemund, CADFEM GmbH Chemnitz Tel. +49 (0) 371-33 42 62-15 E-Mail [email protected] Als Grundlage für die Erweiterung durch die XFEM diente eine Elementprogrammierung gleich dem PLANE42/182. Um die Rissspitzenanreicherung zu testen, wurde das Konvergenzverhalten Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Rust, FH Hannover E-Mail [email protected] Infoplaner 01/2009 57 CADFEM Ein Stück CADFEM wird 20 Der Infoplaner, den Sie gerade vor sich haben, feiert in diesem Jahr einen runden Geburtstag: Seit 20 Jahren ist das Magazin ein treuer Begleiter des Hauses (das im kommenden Jahr ein Vierteljahrhundert jung wird) und hoffentlich auch unserer << Kunden! Was meinen Sie zum Infoplaner? Wollen Sie Lob, Kritik oder sonst einem Kommentar zum Infoplaner abgeben? Oder möchten Sie selbst einmal einen Beitrag für das Heft verfassen? Schreiben Sie uns! [email protected] 58 Infoplaner 01/2009 Infoplaner 01/2009 59 CADFEM Empfehlungen / Veranstaltungen Veranstaltungen April bis September 2009 PCIM SimPEP „Der internationale Treffpunkt für Experten aus dem Bereich Leistungselektronik.“ 12. – 14. Mai 2009 Nürnberg, Messe „Die Informationsplattform für CAE-Techniken im Produktentstehungsprozess“ 18. – 19. Juni 2009 Veitshöchheim CADFEM ist gemeinsam mit Ansoft Aussteller in Halle 12, Stand 516 CADFEM ist Vortragender & Aussteller 20. – 24. April 2009 Hannover, Messegelände www.pcim.de www.simpep.de CADFEM ist Aussteller in Halle 17, Stand F50 6. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik www.hannovermesse.de 14. – 16. Mai 2009 Münster, Universitätsklinikum Hannover Messe Fordern Sie Ihre kostenfreie Tageskarte an! E-Mail [email protected] CADFEM ist Aussteller euroLITE http://conventus/dgfb2009 23. – 25. Juni 2009 Salzburg, Messe 6. Europäische LS-DYNA Conference CADFEM ist Vortragender und Aussteller am Stand 1212 (Gemeinschaftsstand des Leichtbau-Cluster) 14. – 15. Mai 2009 Salzburg, Kongresszentrum www.eurolite-expo.de 6. Jenaer Akustik-Tag 22. April 2009 Jena, Fachhochschule CADFEM ist Sponsor & Aussteller www.mb.fh-jena.de CADFEM ist Gold-Sponsor & Aussteller www.dynamore.de/conferences 23. – 26. Juni 2009 Hamburg, Congress Center kunststoffe + SIMULATION CADFEM ist Aussteller am Stand von Microsoft 2. Grazer Symposium „Virtuelles Fahrzeug“ 27. – 28. April 2009 Graz, Frank-Stronach-Institut CADFEM ist Vortragender & Aussteller 27. – 28. Mai 2009 München, Mariott Hotel www.supercomp.de CADFEM ist Vortragender & Aussteller www.gsvf.at www.hanser.de/simulation StampingDays 2009 „Die wichtigste Veranstaltung für den Stanztechnikmarkt Europas.“ 5. – 6. Mai 2009 Karlsruhe, Messe StanzTec 2009 CADFEM ist Aussteller am Stand 419 CADFEM ist Aussteller in Halle GS, Stand A30 www.stamping-days.de www.stanztec-messe.de 60 Infoplaner 01/2009 ISC’09 – Internationale Supercomputing Conference „Die Fachmesse für Stanztechnik.“ 16. – 18. Juni 2009 Pforzheim, ccp 3rd Colloquium on Computational Mechanics for young Scientists from Academia and Industry 21. - 23. September 2009 Hannover, Leibniz Universität www.ikm.uni-hannover.de/gacm09 CADFEM Empfehlungen / Veranstaltungen EASC – European Automotive Simulation Conference CADFEM Users’ Meetings 2009 Deutschland ANSYS Conference & 27. CADFEM Users´ Meeting 18. – 20. November 2009 Leipzig www.usersmeeting.com Schweiz EASC – European Automotive Simulation Conference ANSYS Conference & 14. Schweizer CADFEM Users´ Meeting 6. – 7. Juli 2009 München, Hilton Munich Park 11. – 12. Juni 2009 Zürich http://easc.ansys.com www.usersmeeting.ch Österreich ECCMR 2009 ECCMR 2009 – 6th European Conference on Constitutive Models for Rubber ANSYS Conference & 4. CADFEM Austria Users´ Meeting 7. – 10. September 2009 Dresden, Technische Univeresität 23. – 24. April 2009 Wien www.tu-dresden.de E-Mail [email protected] www.usersmeeting.at Topics • Experimental characterisation • Comparison of constitutive models • FEM implementation and application • Micro-structural theories of rubber • Lifetime prediction • Statistical approaches • Stress softening • Dynamic mechanical properties • Viscoelasticity and hyperelastic models • Ageing • Industrial applications • Filler reinforcement • Design issues of rubber components • Biomechanics of soft tissues Infoplaner 01/2009 61 CADFEM Empfehlungen / Bücher Bücher - Abb. ähnlich - Band 1: Grundlagen Basiswissen und Arbeitsbeispiele zur Finite-Element-Methode mit dem Programm ANSYS Autoren: Günter Müller, Clemens Groth 8., neu bearb. Aufl. 2007, 807 S., zahlr. Beispiele, CD-ROM (Ed.es, 23), Kaufpreis EUR 89,00 inkl. 7% MwSt., zzgl. Versand ISBN-13: 978-3-8169-2685-6 Band 2: Strukturdynamik Basiswissen und Arbeitsbeispiele zu FEM-Anwendungen der Strukturdynamik – Lösungen mit dem Programm ANSYS Autoren: Ulrich Stelzmann, Clemens Groth, Günter Müller 5., neu bearb. Aufl. 2008, 447 S., zahlr. Beispiele, CD-ROM (Ed.es, 44), Kaufpreis EUR 84,00 inkl. 7% MwSt., zzgl. Versand ISBN-13: 978-3-8169-2842-3 Die Bücher der Reihe „FEM für Praktiker“ vermitteln praxisnahe Grundkenntnisse, um die FEM sinnvoll und effektiv anzuwenden und die Ergebnisse richtig zu bewerten. Es ist für die Praktiker geschrieben. Jeder – der Berechner, aber auch der Entscheider – erkennt damit die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der FEM. Jeder Band enthält eine CD-ROM mit zahlreichen Beispielen und zusätzlichen Informationen. Jeder Band enthält außerdem eine Band 3: Temperaturfelder Basiswissen und Arbeitsbeispiele zu FEM-Anwendungen der Temperaturfeldberechnung – Lösungen mit dem FE-Programm ANSYS Autoren: Clemens Groth, Günter Müller 5., neu bearb. Aufl. 2009, ca. 440 S., zahlr. Beispiele, CD-ROM (Ed.es, 45), - Preis auf Anfrage ISBN-13: 978-3-8169-2714-3 - Abb. ähnlich - Band 4: Elektrotechnik Basiswissen und Arbeitsbeispiele zu FEM-Anwendungen der Berechnung elektromagnetischer Felder. Lösungen mit dem Programm ANSYS Autoren: Wolfgang Schätzing, Günter Müller 2., neu bearb. Aufl. 2009, ca. 300 S., zahlr. Beispiele, CD-ROM (Ed.es, 60), - Preis auf Anfrage (Erscheinungstermin Herbst 2009) inkl. 7% MwSt., zzgl. Versand ISBN-13: 978-3-8169-2841-6 Bestellkarte für eine preisreduzierte CD-ROM des Programms << ANSYS/ED (Windows-Version). Die Bücher aus der Reihe „FEM für Praktiker“ sowie ANSYS/ED können mit dem Formular auf der letzten Seite dieses Heftes oder online unter www.cadfem.de/shop bestellt werden. CADFEM Empfehlungen / Bücher Bücher Fachbuch von CADFEM Mitarbeiter Christof Gebhardt Konstruktionsbegleitende Berechnung mit ANSYS DesignSpace FEM-Simulation für Konstrukteure Lange waren FEM-Berechnungen dem Spezialisten vorbehalten. Immer kürzere Entwicklungszeiten verstärken heute aber die Notwendigkeit, FEM-Simulationen bereits in der Konstruktionsphase durchzuführen. Zu den am stärksten verbreiteten Programmen für die konstruktionsbegleitende Berechnung gehört ANSYS DesignSpace, die Softwarelösung für Konstrukteure. Dieses Buch richtet sich an Anwender und technisch Verantwortliche aus der CAD-Konstruktion. Auf leicht verständliche Weise werden die Grundlagen der Finite-Elemente-Methode vermittelt, die Anwendungsgebiete in Statik und Dynamik gezeigt, aber auch Begriffe wie Nichtlinearitäten und Kontakt erläutert. Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der praktischen Anwendung von ANSYS DesignSpace, bezogen auf die Version 12. Dazu gehören die Frage nach der geeigneten Vernetzung und Genauigkeit, die Definition und Kontrolle von Last- und Lagerbedingungen sowie die Darstellung und Bewertung von Ergebnissen. Vierzehn umfangreiche Übungen zeigen typische Vorgehensweisen z.B. für die Berechnung von Kerbspannungen, Schraubverbindungen und Presspassungen oder die Berücksichtigung der Steifigkeit von Kaufteilen. Organisatorische Themen wie Training, Qualitätssicherung, Software- und Hardware-Konzepte runden den Inhalt ab. Aufgrund der einheitlichen Arbeitsweise in den verschiedenen Ausbaustufen der strukturmechanischen Simulation, eignet sich dieses Handbuch auch für Einsteiger weiterführender Lizenzstufen, wie z.B. ANSYS Professional, Structural oder Mechanical. Unter http://downloads.hanser.de stehen die Geometrien und Musterlösungen zu den im Buch beschriebenen Übungen bereit. << Über Christof Gebhardt Dipl.-Ing. (FH) Christof Gebhardt ist seit 1996 Mitarbeiter der CADFEM GmbH. Der Produkt Manager für den Bereich ANSYS Strukturmechanik verfügt über langjährige Erfahrung als Berechnungsingenieur und hat zahlreiche Konstrukteure in der FEMSimulation ausgebildet. Unter anderem ist er auch Moderator des ANSYS DesignSpace-Forums auf CAD.DE. Christof Gebhardt Konstruktionsbegleitende Berechnung mit ANSYS DesignSpace FEM-Simulation für Konstrukteure ca. 324 Seiten durchgehend vierfarbig Kartoniert Kaufpreis EUR 49,90 inkl. 7% MwSt., zzgl. Versand ISBN 978-3-446-41739-7 Erscheint am 7. Mai 2009 Sie können dieses Buch bei CADFEM mit dem umseitigen Formular oder online unter www.cadfem.de/shop zum Preis von EUR 49,90 (inkl. ges. MwSt., zzgl. Verpackung und Versand) bestellen! Infoplaner 01/2009 63 Bestellformular Fachbücher und Lernsoftware Produkte zu ANSYS „FEM für Praktiker – Grundlagen“ Band 1, 8. Auflage + Gutschein zum vergünstigten Erwerb* von ANSYS/ED 10.0, EUR 89,00 „FEM für Praktiker – Strukturdynamik“ Band 2, 5. Auflage + Gutschein zum vergünstigten Erwerb* von ANSYS/ED 10.0, EUR 84,00 „FEM für Praktiker – Temperaturfelder“ Band 3, 5. Auflage + Gutschein zum vergünstigten Erwerb* von ANSYS/ED 10.0, - Preis auf Anfrage „FEM für Praktiker – Elektrotechnik“ Band 4, 1. Auflage + Gutschein zum vergünstigten Erwerb* von ANSYS/ED 10.0, - Preis auf Anfrage - (Erscheinungstermin Herbst 2009) NEU! Konstruktionsbegleitende Berechnung mit ANSYS DesignSpace, FEM-Simulation für Konstrukteure EUR 49,90 (Erscheinungstermin 7. Mai 2009) ANSYS/ED Rev. 10.0 (10.000 Knoten / 1.000 Elemente) Programm CD, EUR 238,00 ANSYS/ED Rev. 10.0 (10.000 Knoten / 1.000 Elemente) Programm CD für Studenten (Bitte senden Sie uns mit Ihrer Bestellung eine aktuelle Immatrikulationsbescheinigung), EUR 175,50 CADFEM Users’ Meeting 2007 Conference Proceedings CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 21,40 CADFEM Users’ Meeting 2008 Conference Proceedings CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 96,30 *Kaufpreise von ANSYS/ED mit dem Gutschein aus den „FEM für Praktiker“ Büchern (nur 1 Gutschein pro ANSYS/ED Lizenz): EUR 175,50. EUR 119,00 (Preis für Studenten gegen Immatrikulationsbescheinigung) Produkte zu LS-DYNA LS-DYNA/ED (10.000 Knoten) Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, verfügbar auf allen gängigen Plattformen, Jahresmiete $ 154,70 LS-DYNA Hochschule Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, LS-Opt, verfügbar auf allen gängigen Plattformen, unlimitierte CPU-Anzahl, Jahresmiete $ 1.547,00 Produkte zu FKM-Richtlinien FKM-Richtlinie Bruchmechanik, deutsch: „Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ 3. Ausgabe 2006, EUR 200,00 FKM-Richtlinie Festigkeit, deutsch: „Rechnerischer Festigkeitsnachweis“ 5. erweiterte Ausgabe 2003, EUR 200,00 Hinweise Alle Preise Stand April 2009. Alle Preise verstehen sich inklusive der ges. MwSt. und zuzüglich Versandkosten. Angebote freibleibend. Die Bestellung ist verbindlich, der Kaufvertrag kommt bei Büchern mit Zusendung an den Kunden zustande. Bei Softwarelieferungen muss der Kunde durch Entsiegeln der Packung einen gesonderten Lizenzvertrag akzeptieren oder die Ware zurückschicken. Kunden, die nicht Unternehmer sind, steht ein zweiwöchiges Widerrufsrecht zu. Achtung: Für Schweiz und Österreich gelten andere Preise! Nähere Informationen erhalten Sie bei der CADFEM (Suisse) AG, Schweiz bzw. der CADFEM (Austria) GmbH, Österreich. Absender __________________________________________________________ Firma / Hochschule __________________________________________________________ Abteilung / Institut __________________________________________________________ Name, Vorname __________________________________________________________ Titel __________________________________________________________ Straße __________________________________________________________ PLZ (Straße) und Ort __________________________________________________________ Postfach __________________________________________________________ PLZ (Postfach) und Ort __________________________________________________________ Telefon __________________________________________________________ Fax __________________________________________________________ Land __________________________________________________________ E-Mail __________________________________________________________ Datum / Unterschrift Bitte ausfüllen und per Post oder Fax senden an: CADFEM GmbH · Marktplatz 2 · 85567 Grafing b. München · Telefon +49 (0) 80 92-70 05-0 · Fax +49 (0) 80 92-70 05-77 64 Infoplaner 01/2009 www.cadfem.de CADFEM DEUTSCHLAND CADFEM SCHWEIZ/AUSTRIA/ TSCHECHIEN/SLOWAKEI/ POLEN CADFEM BETEILIGUNGEN CADFEM GmbH Zentrale Grafing Marktplatz 2 85567 Grafing b. München Deutschland Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0 Fax +49 (0) 80 92-70 05-77 E-Mail [email protected] www.cadfem.de Schweiz CADFEM (Suisse) AG Zentrale Aadorf Wittenwilerstraße 25 8355 Aadorf Schweiz Tel. +41 (0) 52-368-01-01 Fax +41 (0) 52-368-01-09 E-Mail [email protected] www.cadfem.ch DYNARDO GmbH Luthergasse 1d 99423 Weimar Deutschland E-Mail [email protected] www.dynardo.de Geschäftsstelle Dortmund Emil-Figge-Straße 80 44227 Dortmund Deutschland Tel. +49 (0) 231-9 74 25 68-0 Geschäftsstelle Hannover Pelikanstr. 13 30177 Hannover Deutschland Tel. +49 (0) 511-39 06 03-0 Fax +49 (0) 511-39 06 03-25 Geschäftsstelle Stuttgart Leinfelder Str. 60 70771 Leinfelden-Echterdingen Deutschland Tel. +49 (0) 711-99 07 45-0 Fax +49 (0) 711-99 07 45-99 Bureau Lausanne Avenue de Cour 74 1007 Lausanne Suisse Tel. +41 (0) 21-601-70-80 Fax +41 (0) 21-601-70-84 Österreich CADFEM (Austria) GmbH Heumühlgasse 11 1040 Wien Österreich Tel. +43 (0)1-5 87 70 73 Fax +43 (0)1-5 87 70 73-19 E-Mail [email protected] www.cadfem.at Tschechien/Slowakei SVS FEM s.r.o.Skrochova 42615 00 Brno-Zidenice Tschechische Republik Tel. +42 (0) 543 254 554 Fax +42 (0) 543 254 556 E-Mail [email protected] www.svsfem.cz ˆ Geschäftsstelle Chemnitz Cervantesstraße 89 09127 Chemnitz Deutschland Tel. +49 (0) 371-33 42 62-0 Fax +49 (0) 371-33 42 62-99 Geschäftsstelle Mittelland Privatstrasse 8 4563 Gerlafingen Schweiz Tel. +41 (0) 32-675-80-70 Fax +41 (0) 32-675-80-74 ˆ Geschäftsstelle Berlin Breite Straße 2a 13187 Berlin Deutschland Tel. +49 (0) 30-4 75 96 66-0 Fax +49 (0) 30-4 75 96 66-21 Polen MESco ul.Górnicza 20A 42-600 Tarnowskie Gory Polen Tel. +48 (0) 3 27 68 36-36 Fax +48 (0) 3 27 68 36-35 E-Mail [email protected] www.mesco.com.pl Member of Worldwide Partners www.technet-alliance.com inuTech GmbH Fürther Straße 212 90429 Nürnberg Deutschland E-Mail [email protected] www.inutech.de virtualcitySYSTEMS GmbH Zellescher Weg 3 01069 Dresden Deutschland E-Mail [email protected] Componeering Inc. 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