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Strömungssimulationen im PLM
Die Product-Lifecycle-Management-Lücke
Der Begriff „Product Lifecycle Management“ oder PLM ist derzeit in aller Munde. Darunter ist die Aufgabe zu verstehen,
alle produktbezogenen Daten, die in den Phasen der Entwicklung, der Nutzung und der Verwertung eines Produkts entstehen,
durchgängig und über alle Änderungen hinweg konsistent zu nutzen und zu verwalten. Das PLM-Konzept konnte in jüngster Zeit
vor allem durch den breiten Übergang zu dreidimensionalen Produktmodellen – als zentrale Datensätze für Entwicklung,
Fertigung und Dokumentation – sowie die übergreifende Vernetzung von Unternehmensabläufen in die industrielle Praxis Einzug halten.
Dr. Ivo Weinhold, Produktmanager NIKA GmbH
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Bild 1: Strömungssimulation mit „EFD.V5“, integriert in „CATIA V5“.
Bild: NIKA
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In den Phasen der Produktentstehung und Produktbetreuung – mit den Bereichen Grundlagenforschung, Konzeptentwicklung,
Serienentwicklung, Detaillierung, Serienbetreuung, Anpassungsentwicklung – spielen neben der unmittelbaren Definition der
Bauteilgeometrien komplexe Simulationsrechnungen von physikalischen Vorgängen und rechnerische Funktionsnachweise heute
eine zentrale Rolle. Concurrent-Engineering-Methoden erfordern Aussagen über Machbarkeit und Funktion von Lösungsansätzen
bereits zu Zeitpunkten im Entwicklungsprozess, zu denen wichtige Entscheidungen bezüglich Details noch nicht getroffen werden
können. Die Simulation der physikalischen Funktionen auf der Grundlage des aktuellen Änderungsstands der 3D-Modelldaten ist
deshalb der einzige Weg, brauchbare Aussagen über das zu erwartende Verhalten als Entscheidungshilfe zu gewinnen.
Simulation im PLM-Umfeld
Damit die Simulationsergebnisse jedoch auch tatsächlich in den Entscheidungsprozess einfließen können, müssen sie zeitlich
gemäß den Änderungszyklen in hoher Qualität vorliegen. Das klingt zunächst trivial und ist auf vielen Gebieten der Simulation
physikalischer Funktionen bereits selbstverständlich. Belegt wird dies durch die Verfügbarkeit eines breiten Angebots von
Simulationssoftware für PLM-Lösungen, das unterschiedlichste Aufgaben wie Festigkeitsuntersuchungen, Licht- und Akustikdesign,
Schwingungsanalyse, elektromagnetische Feldberechnungen und vieles mehr abdeckt. Diese Softwarepakete sind direkt in ein
PLM-Konzept und das dazugehörende 3D-CAD-System, beispielsweise „CATIA V5“ von Dassault Systèmes, integriert. Die PLM-Anbieter
stellen entsprechende Entwicklungsplattformen zur Verfügung, die es spezialisierten Drittanbietern erlauben, ihre Simulations-
und Berechnungstechnologie an die spezifischen Bedingungen der PLM-Plattform anzupassen und so eine funktionierende, auf
Konsistenz und Durchgängigkeit der originalen Produktdaten basierende Lösung zu entwickeln.
Wer sich mit der PLM-Thematik jedoch
eingehender auseinander setzt, wird feststellen, dass es für Simulationen von Strömungen und Wärmeübertragung innerhalb eines
PLM-Konzepts bisher kein einziges Angebot gab. Und das, obwohl wichtige Funktionen einer großen Mehrheit von Produkten und
Verfahren in irgendeiner Weise physikalisch auf strömungs- oder thermodynamischen Vorgängen beruhen beziehungsweise von solchen
beeinflusst werden und deren Auslegung oft von fundamentaler Bedeutung für den Wert des Produkts oder Verfahrens ist.
Eine Ursache
dafür ist, dass Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge von Natur aus viel schwieriger zu verstehen und schlechter zugänglich sind
als beispielsweise strukturmechanische Dimensionierungsaufgaben. Vor allem aber scheint ein wichtiger Grund für diese „PLM-Lücke“
zu sein, dass viele Anbieter von Strömungssimulationssoftware das wichtigste Kriterium für prozessorientierte Strömungsberechnungen
nicht erfüllen können: die nötige Effizienz von Berechnungsprojekten zu gewährleisten, um auch unter Industriebedingungen qualitativ
hochwertige Ergebnisse im Rhythmus der aktuellen Designänderungen liefern zu können.
Zum Erreichen dieses Ziels müssen viele
Routinearbeiten in einem Simulationsprojekt automatisiert und vor allem notwendige Tätigkeiten, die fachfremdes Spezialwissen
verlangen, auf ein Minimum reduziert werden. Mit anderen Worten: Der Ingenieur als Anwender muss sich ausschließlich auf seine oft
schwierige technisch-physikalische Aufgabe konzentrieren können. Das ist besonders auf dem Gebiet der Strömungssimulationen
nur möglich, wenn neue Softwarekonzepte und neue Simulationstechnologien für Strömungen und Wärmeübertragung für den Einsatz in
einer prozessorientierten PLM-Umgebung entwickelt und als integrierte Softwarekomponente für eine PLM-Plattform bereitgestellt werden.
Das traditionelle Computational Fluid Dynamics (CFD)-Konzept wird im Kontext der PLMIntegration durch das neue
Engineering-Fluid-Dynamics (EFD)-Konzept abgelöst.
Bild 2: Simulierte Temperaturverteilung in einer Projektorlampe.
Bild: NIKA
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Forderungen für ein EFD-Konzept
Die wichtigsten Schlüsseltechnologien für eine funktionierende Umsetzung dieses EFD-Konzepts in die Praxis sind:
– Die nahtlose Einbindung der Softwarekomponente für Strömungssimulationen in die Bedienphilosophie des PLM-Systems.
Insbesondere müssen aktuelle parametrische, featurebasierte Modellierungskonzepte auch für die Preund Postprozessordaten
des Berechnungsprojekts weitergeführt und direkt im Featurebaum der Originalgeometrie angezeigt, verwaltet und bearbeitet werden.
Darüber hinaus ist die Bedienoberfläche der Simulationskomponente einheitlich an die CAD-Basis anzupassen.
– Die direkte Nutzung der vorhandenen 3D-Modelldaten innerhalb der CADKomponente des PLM-Systems, obwohl der zu untersuchende
Strömungsraum meist nicht als eigenständiges Bauteil für eine Vernetzung zur Verfügung steht. Ein separates Modellieren oder Ableiten
des Strömungsraums ist im Sinne der Datenkonsistenz nicht akzeptabel.
– Die Unterstützung von Konzepten zur Variantenkonstruktion wie Design Tables, Konfigurationen oder Ähnliches. Das Simulationsprojekt
muss sich an veränderte Bauteile und Baugruppen anpassen und die automatisierte Abarbeitung einer Vielzahl von Varianten
unterstützen.
– Das automatische Erstellen eines für Strömungssimulationen optimierten, qualitativ hochwertigen Berechnungsnetzes (und zwar auch
für extrem komplexe Baugruppen) ohne spezielle Definitionen durch den Anwender, die nur mit entsprechendem Expertenwissen
möglich wären.
– Die zuverlässige Modellierung komplizierter Strömungsphänomene wie Grenzschichteffekte, laminare und turbulente Bereiche in einem
Modell oder kompressible Gasströmungen, wofür nur wenige praxisrelevante Modellparameter einzugeben sind.
– Die robuste Lösung der bei Strömungssimulationen stets zu analysierenden nichtlinearen Gleichungssysteme ohne künstliche
Stabilisierungsmaßnahmen, deren Anwendung umfangreiche Kenntnisse der numerischen Mathematik verlangt. Dieser Punkt wird in der
Praxis oft unterschätzt, ist jedoch in vielen Fällen ausschlaggebend für Erfolg oder Misserfolg einer Berechnung und deshalb
ein entscheidender Produktivitätsfaktor für jedes Simulationsprojekt.
PLM-Lücke schließen
Mit der Strömungssimulationssoftware „EFD.V5“, Bild 1 und Bild 2, von NIKA wird erstmals die PLM-Lücke im Bereich
Strömungssimulationen für CATIA V5 geschlossen. Das Programm wurde auf der „CAAV5“-Plattform entwickelt und erfüllt die genannten
Anforderungen an prozessorientierte Strömungssimulationen innerhalb des PLM-Konzepts von Dassault Systèmes. Da EFD.V5 auf der
bewährten EFD-Technologie, Bild 3, von NIKA basiert, stehen zahlreiche praxiserprobte Modellierungsfunktionen sofort für die
unmittelbare Nutzung mit CATIA V5-Produktmodellen bereit. Das bietet erstmals die Chance, eine große Anzahl von Routineaufgaben
im Bereich der Strömungsberechnung effizient abzuarbeiten und die CFD-Spezialisten in der Berechnungsabteilung zu entlasten.
Darüber hinaus gestattet die Software, Strömungsberechnungen tatsächlich entwicklungsbegleitend zu nutzen und bereits zu sehr
frühen Zeitpunkten – beispielsweise in einer Angebotsphase – die prinzipielle Funktionsweise einer angebotenen Lösung durch
aussagefähige Simulationsergebnisse zu belegen.
Bild 3: Trend zum Engineering-Fluid-Dynamics-Konzept.
Bild: NIKA
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» Sonderdruck aus VDI-Z Integrierte Produktion, Ausgabe 1/2-2004 (PDF, 186KB)
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