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
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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
➔
© 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
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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
Software
Markus Dutly
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02
Software
Alexander Dopf
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-14
Seminare
Marc Vidal
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-18
Seminare
Davide Valtorta
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01
Seminare
Wolfgang Artner
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-16
Consulting
Dr.-Ing. Marold Moosrainer
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45
Consulting
Philipp Huber
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06
Consulting
Christoph Schlegel
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12
Entwicklung
Dr.-Ing. Cord Steinbeck-Behrens
Tel. +49 (0) 511-39 06 03-17
Hardware
Manfred Bayerl
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39
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
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]
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
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
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Infoplaner 01/2009
CADFEM
www.cadfem.de/produkte
Komplementäre CAE-Software zu ANSYS:
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
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.)
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
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
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
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
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
•
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•
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
Oder via CADFEM CAE-Line
Tel. +49 (0) 800-6 64 87 58
Schweiz
Philipp Huber
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06
Österreich
Christoph Schlegel
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12
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
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
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
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
Österreich
Alexander Dopf
Termine, Inhalte, Anmeldung:
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-14
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
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
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
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
22
Infoplaner 01/2009
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:
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.
i
| Information
Ansprechpartner Explizit
Dr.-Ing. Matthias Hörmann
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
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
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-
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
Infoplaner 01/2009
25
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
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
!
CADFEM und Ansoft stellen
gemeinsam aus.
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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.
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.
Infoplaner 01/2009
27
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
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45
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
Schweiz
Philipp Huber
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06
Österreich
Christoph Schlegel
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12
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
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
- Arbeitsablauf einer ElektromechanikSimulation
• Gekoppelte Berechnungen
(ANSYS Workbench Workflow)
- Elektrisch-Thermische-Struktur Kopplung
- Elektrisch-Thermische Kopplung
(Applikationsbeispiel Sicherung)
- Thermo-Mechanische Simulationen
(Zuverlässigkeit)
- Piezoelektrik and Piezoresistivität
- 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
Information und Anmeldung
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
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.
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
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
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
- 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.
✒|
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.
Infoplaner 01/2009
35
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-
✒|
Author
Author and Contact Person
Phone +49 (0) 80 92-70 05-82
▲
| 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
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
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.
Infoplaner 01/2009
39
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-
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).
Infoplaner 01/2009
41
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).
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
Phone +49 (0) 80 92-70 05-82
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:
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
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
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-86
Joscha Sehnert, CADFEM GmbH
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-944
!
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.
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
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-86
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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
www.eads.net
Ansprechpartner
LS-DYNA bei CADFEM:
Dr.-Ing. Matthias Hörmann
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41
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
!
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
Infoplaner 01/2009
53
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-
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
!
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
Bild 6: Untersuchung der Trainingsmaschine mit dem
AnyBody Modeling System
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,
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
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
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!
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
am Stand von Microsoft
2. Grazer Symposium
„Virtuelles Fahrzeug“
27. – 28. April 2009
Graz, Frank-Stronach-Institut
CADFEM ist
27. – 28. Mai 2009
München, Mariott Hotel
www.supercomp.de
CADFEM ist
www.gsvf.at
www.hanser.de/simulation
StampingDays 2009
„Die wichtigste Veranstaltung für den
Stanztechnikmarkt Europas.“
5. – 6. Mai 2009
Karlsruhe, Messe
StanzTec 2009
am Stand 419
CADFEM ist Aussteller in Halle GS,
Stand A30
www.stamping-days.de
www.stanztec-messe.de
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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
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
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
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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
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)
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
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
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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,
ANSYS/ED 10.0, EUR 84,00
„FEM für Praktiker – Temperaturfelder“ Band 3,
ANSYS/ED 10.0, - Preis auf Anfrage „FEM für Praktiker – Elektrotechnik“ Band 4,
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
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Firma / Hochschule
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Abteilung / Institut
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Name, Vorname
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Titel
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Telefon
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Fax
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E-Mail
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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
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Infoplaner 01/2009
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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
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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
www.cadfem.ch
DYNARDO GmbH
Luthergasse 1d
99423 Weimar
Deutschland
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
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Heumühlgasse 11
1040 Wien
Österreich
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73
Fax +43 (0)1-5 87 70 73-19
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
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
www.mesco.com.pl
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Worldwide Partners
www.technet-alliance.com
inuTech GmbH
Fürther Straße 212
90429 Nürnberg
Deutschland
www.inutech.de
virtualcitySYSTEMS GmbH
Zellescher Weg 3
01069 Dresden
Deutschland
Componeering Inc.
Itämerenkatu 8
00180 Helsinki
Finnland
www.componeering.com
CCA Engineering Simulation Software
(Shanghai) Co., Ltd
RM. 918, No. 777 Zhao Jia Bang Rd.
200032 Shanghai
China
www.cca-es.com
CADFEM Engineering Services India
PVT Ltd.
H.No: 48, 1st Floor
Parkview Enclave, Old Bowenpally
Hyderabad – 500011
Indien
www.cadfem.in
OZEN Engineering, Inc.
Ozen Engineering Inc.
CU-ICAR
5 Research Drive
Greenville, SC 29607
USA
www.ozeninc.com

Infoplaner 1/2009

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