Konstruktion & Berechnung

Für unsere Engineering-Kunden konzipieren wir Produkte, Komponenten oder Gesamtsysteme, die von vorneherein auf Masseminimierung oder auch auf andere Zielkriterien bei gleichzeitiger Erfüllung aller Anforderungen ausgelegt werden. Denn je früher in einer Produktentwicklung bestimmte Zielgrößen betrachtet werden, umso geringer sind zeitlicher und monetärer Umsetzungsaufwand. So ermöglichen wir unseren Kunden innovative Leichtbaukonzepte mit Unterstützung von TGM-Knowhow zu entwickeln und zu nutzen ohne eigene Konstrukteure speziell trainieren zu müssen.

Unsere Vorgehensweise hängt hierbei stets vom Produkt ab, orientiert sich jedoch an dem Beratungsschema zuerst das System, dann die Struktur und abschließend das Material zu optimieren. Wie bei unserer Leichtbauberatung analysieren wir den Ist-Stand zum Start des Projekts. Dabei kann der Startwert eine Idee, eine Grafik, eine erste Konstruktion oder ein aktuelles Produkt sein. Der Analyse folgend erarbeiten wir ein oder mehrere Konzepte, wie das Produkt ertüchtigt werden kann. Verschiedene Varianten zeigen verschiedene Lösungswege auf, die wir für und mit unserem Kunden bewerten. Durch unser breit gefächertes Ingenieurwissen und mit der Hilfe unserer Kooperationspartner können neben dem Kriterium Gewicht auch die Themen Design, Material, Fertigung und Kosten betrachtet werden.

Eine Produktentwicklung unterstützen wir von der sehr frühen Vorentwicklungs- bis zur fortgeschrittenen Konzeptphase mit verschiedenen Werkzeugen und Methoden.  

Wir bieten exklusive CAD-Konzeptentwicklung im Zusammenhang mit FEM-basierter Strukturanalyse, um schnell verschiedene Lösungsvarianten für unsere Kunden zu erzeugen, die schnell in den vorgegebenen Zielkorridor konvergieren.

Die CAD-Konzeptentwicklung wird typischerweise in den frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses durchgeführt und ist ein wichtiger Schritt bei der Gestaltung von Komponenten, Baugruppen oder Gesamtsystemen.

Während der CAD-Konzeptentwicklung werden verschiedene Ideen und Konzepte in Form von digitalen Modellen erstellt und getestet. Dies ermöglicht es, verschiedene Designoptionen schnell und kostengünstig zu evaluieren und zu vergleichen, um das beste Design zu identifizieren.

Die CAD-Konzeptentwicklung kann auch dazu beitragen, Fehler und Probleme im Design zu identifizieren, bevor der physische Prototyp gebaut wird, was Zeit und Kosten sparen kann.

Die CAD-Konzeptentwicklung umfasst in der Regel verschiedene Schritte, wie die Erstellung von Skizzen, die Erstellung von 2D- und 3D-Modellen, die Voranalyse von Belastungen und Kräften sowie die Simulation von Bewegungen und die Materialbewertung wobei wir unseren Kunden folgende Tools und Arbeitsweisen anbieten : 

  • Cloud-basierte CAD-Software: Eine der neuesten Entwicklungen bei der CAD-Konzeptentwicklung ist die Verfügbarkeit von Cloud-basierten CAD-Softwarelösungen. Diese ermöglichen es den Benutzern, von überall auf der Welt auf ihre CAD-Modelle zuzugreifen und sie zu bearbeiten, ohne eine lokale Softwareinstallation durchführen zu müssen.
  • Konzeptentwicklung für additive Fertigung (3D-Druck): 3D-Druck wird in der CAD-Konzeptentwicklung zunehmend eingesetzt, um schneller und kosteneffizienter Prototypen und Modelle zu erstellen. Die Verwendung von 3D-Druckern ermöglicht es den Benutzern, ihre Modelle schnell und einfach zu testen und zu überarbeiten, was den Designprozess beschleunigen kann.

Wir bieten professionelle Unterstützung im Bereich der CAD-Konzeptentwicklung im

Automobil/Nutzfahrzeug/Bahnfahrzeugbau von

  • Rohbau- und Karosseriebaugruppen aus Blechumformteilen, Gussbauteilen sowie Strangpressprofilen sowie Fließpressbauteile gepaart mit Expertenwissen in der Industrialisierung hochkomplexer Schweißkonstruktionen in verschiedensten Stahl- und Aluminiumlegierungen
  • Verkleidungsteilen im Innen- und Außenbereich, Sitzsystemen, Klimasystemen- und Kanälen sowie verschiedenen anderen Anbauteilen im Innen- und Außenbereich aus metallischen, kunstoffbasierten sowie hybriden Werkstoffen

Automobil/Nutzfahrzeugbau 

  • Architektur und Packaging verbrennungsmotorisch-, hybridisierter und elektrisch angetriebener Fahrzeuge inkl. vertiefter Beurteilungskompetenz fahrdynamischer- und Komfort- Fahreigenschaften
  • Kinematische Auslegung von Getriebesystemen oder Gelenkmechanismen
  • Starrkinematische Auslegung und Beurteilung von Fahrwerksteilen zur fahrdynamischen und komfortbestimmenden Eigenschaftserzielung inkl. vertieftem Wissen in der Feder/ Dämpfer- bzw. Lenkungsauslegung und elastokinematische Beurteilungskompetenz
  • Konzeptionelle Auslegung und Analyse des Wirkmechanismus von Bremse und Reifen
  • Vorauslegung und konzeptionelle Gestaltung von Crashstrukturen inkl. vertieftem Verständnis des strukturellen Aufbaus und das Verhalten von Fahrzeugstrukturen zur Zielerfüllung des Verbraucherschutzes und gesetzlicher Anforderungen

Flugzeugbau

  • Airframe-Strukturen inklusive primärer Rumpf- und Flügelstrukturen sowie Verkleidungen aus Kunstoff-Verbundwerkstoffen (CFK/GFK) inklusive Triebwerksverkleidungen und Aufnahmen
  • Primärstrukturen, Sekundärstrukturen, Flugzeugsysteme inkl. elektrischer und avionischer Installationen sowie Innenverkleidungen, Kabinen, Sitze und Flugzeugtüren.
  • Mockups, Test-Rigs

Schiffbau

  • Decksaufbauten, Kabinen und Anbauteilen sowie Innenverkleidungen und Sitzsysteme

EDV :

  • Catia V5
  • Onshape

Strukturanalyse – und Berechnung

Im Automobil- und Nutzfahrzeugbau bieten wir

die Untersuchung der strukturellen Integrität sowie die Aufdeckung von nachhaltigen Struktur- und Materialleichtbaupotenzialen sowie Materialmodellierungen sowie die Aufdeckung von Struktur- und Materialleichtbaupotenzialen auf Basis von linearen und nichtlinearen FEM-Simulationen und Multiparameter-Optimierungsrechnungen von Automobilkomponenten und -systemen an. Dies kann sowohl auf der Ebene des Gesamtfahrzeugs als auch auf der Ebene von Komponenten wie Karosserieteilen, Rahmen, Radaufhängungen, Lenkungen, Bremsen, Motoren und Getrieben sowie wie anderen Anbauteilen erfolgen.

Wir unterstützen alle Teilbereiche der linearen und nicht-linearen Festigkeitsberechnungen, Strukturoptimierungen, Steifigkeitsanalysen, Dauerfestigkeitsanalysen, der Materialmodellierung und -auswahl sowie Impact- und Crash-Simulationen und damit verbundenen multiphysikalische Parameteranalysen. Ziel dieser Analyseverfahren ist es, die Sicherheit, Leistung, Effizienz und Haltbarkeit von Automobilkomponenten und -systemen zu verbessern.

Während der Strukturanalyse werden Simulationen durchgeführt, um zu bestimmen, wie ein bestimmtes Bauteil oder System auf verschiedene Belastungen wie dynamische und statische Kräfte, Vibrationen, Temperatur- und Umweltbedingungen reagiert. Die Ergebnisse dieser Tests und Simulationen werden verwendet, um das Design auf bspw. Masse zu optimieren und die richtigen Materialien auszuwählen, um minimale Masse mit maximaler Festigkeit, Steifigkeit und Dauerfestigkeit zu gewährleisten.

Im Rahmen von Crash-Simulationen untersuchen wir das Verhalten des Fahrzeugs bei einem Unfall.. Hierbei wird untersucht, wie die verschiedenen Komponenten und Systeme des Fahrzeugs auf eine Kollision reagieren und wie die Sicherheit für die Insassen verbessert werden kann.

Im Bahnfahrzeugbau bieten wir

die Untersuchung der strukturellen Integrität von Bahnfahrzeugkomponenten und -systemen sowie Materialmodellierungen sowie die Aufdeckung von nachhaltigen Struktur- und Materialleichtbaupotenzialen auf Basis von linearen und nichtlinearen FEM-Simulationen und Multiparameter-Optimierungsrechnungen an. Dies kann sowohl auf der Ebene des Gesamtfahrzeugs als auch auf der Ebene der Komponenten stattfinden:

  • Rohbau und Drehgestelle: bilden die strukturelle Basis des Bahnfahrzeugs und müssen daher ausreichend steif und dauerfest sein, um den statischen und dynamischen Lasten des Fahrbetriebs über bis zu 30 Jahre sowie den Crashlasten standzuhalten.
  • Fahrzeuginnenausbau und Exterieur: Der Aufbau und die Karosserie eines Bahnfahrzeugs sind wichtige Komponenten, die dafür sorgen, dass das Fahrzeug aerodynamisch, sicher und ergonomisch ist und eine ästhetische Erscheinung hat. Der Insassenschutz spielt hierbei eine große Rolle.
  • Fenster und Verglasung: Die Fenster und Verglasungen eines Bahnfahrzeugs müssen sicher sein und den Anforderungen an Transparenz, Sicherheit und Schalldämmung entsprechen.
  • Fahrzeugastraum- und Fahrertüren und Klappen: Türen und Klappen sind wichtige Komponenten, die den Passagieren den Zugang zum Bahnfahrzeug ermöglichen. Sie müssen sicher, brandfest und leicht und schnell zu öffnen und zu schließen sein und den statischen und dynamischen Betriebsanforderungen standhalten.
  • Sitzsysteme: Die Sitzsysteme eines Bahnfahrzeugs müssen bequem, sicher, brandfest und ergonomisch sein und einen reibungslosten Fahrbetrieb ermöglichen.
  • Elektrische und elektronische Systeme: Elektrische und elektronische Systeme sind wichtige Komponenten eines Bahnfahrzeugs, die für die Steuerung und Überwachung des Fahrzeugs sowie für die Kommunikation mit dem Zugpersonal und dem Streckennetz verantwortlich sind.
  • Räder, Achsen und das Bremssystem: Die Räder und Bremsen eines Bahnfahrzeugs müssen sehr hohe Sicherheits- und Funktionsanforderungen erfüllen sowie die statischen und hochgradig dynamischen Betriebslasten inklusive Peak- und Schwingungslasten über 30 Jahre ertragen können.

Im Flugzeug- und Raumfahrzeugbau bieten wir

die Untersuchung der strukturellen Integrität von Flugzeugkomponenten und -systemen sowie Materialmodellierungen sowie die Aufdeckung von nachhaltigen Struktur- und Materialleichtbaupotenzialen auf Basis von linearen und nichtlinearen FEM-Simulationen und Multiparameter-Optimierungsrechnungen an. Dies kann sowohl auf der Ebene des Gesamtsystems auch auf der Ebene der Komponenten stattfinden:

Rumpf: Der Rumpf bildet die Hauptstruktur des Flugzeugs und umfasst die Passagierkabine, das Frachtabteil und die Treibstofftanks. Die Rumpfstruktur wird analysiert, um sicherzustellen, dass sie den aerodynamischen Belastungen, dem Kabinendruck und den zahlreichen Fluglastfällen standhalten kann.

Tragflächen: Die Tragflächen unterliegen sehr hohen dynamischen und statischen Lasten und  müssen aeroelastisch aufgebaut sein. Sie werden auf ihre strukturelle Festigkeit, Steifigkeit und Dauerfestigkeit sowie den Schwingungseigenschaften  sowie aeroelastischen Verhalten untersucht.

Leitwerk: Das Leitwerk umfasst das Höhenleitwerk und das Seitenleitwerk. Es wird auf strukturelle Integrität, Stabilität und Steuerbarkeit untersucht, um eine sichere Kontrolle des Flugzeugs auch noch unter widrigsten Betriebsbedingungen  zu gewährleisten.

Fahrwerk: Das Fahrwerk umfasst die Hauptfahrwerke und das Bugrad. Es wird auf strukturelle Festigkeit und Haltbarkeit auf Basis von zahlreichen Fahrwerkslastfällen geprüft, um eine sichere Landung und Rollbewegungen auf dem Boden zu ermöglichen.

Triebwerke: Die Triebwerke, ob elektrisch oder verbrennungsmotorisch angetriebene Turbinen- oder Kolbenmotoren, werden ebenfalls strukturell untersucht, um sicherzustellen, dass sie den Kräften und Vibrationen während des Betriebs auf einem hohen Sicherheitsniveau standhalten können und einen möglichst geringen Energieverbrauch aufweisen.

Im Schiffbau bieten wir  

Strukturanalyse und Strukturoptimierung von Schiffkomponenten und Systemen. Durch die Strukturanalyse werden die Belastungen und Beanspruchungen auf die Schiffskonstruktion ermittelt, um ihre Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität zu gewährleisten. 

Die Optimierung befasst sich mit der Verbesserung der strukturellen Effizienz, um das Gewicht und die Kosten des Schiffs zu reduzieren sowie die Nachhaltigkeit zu verbessern ohne dabei die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit einzuschränken. Dabei werden verschiedene Faktoren berücksichtigt, wie beispielsweise die Materialauswahl, die Gestaltung der Rumpfform, die Platzierung von Verstärkungen und die Optimierung von Schweißverbindungen.

Durch den Einsatz spezieller Analyse- und Optimierungstechniken können Schiffsbauer die Leistung, Nachhaltigkeit, Sicherheit und Effizienz ihrer Schiffe verbessern. Dies ermöglicht es, sowohl die Anforderungen der Kunden zu erfüllen als auch den Umweltauswirkungen und den Betriebskosten entgegenzuwirken. Letztendlich trägt die Strukturanalyse und Optimierung dazu bei, innovative und wettbewerbsfähige Schiffsdesigns zu entwickeln.

Bei der strukturellen Untersuchung eines Schiffes werden typischerweise verschiedene Komponenten und Bereiche berücksichtigt. Dazu gehören:

  • Rumpf: Der Rumpf ist die Hauptstruktur des Schiffes und wird auf Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität analysiert. Hierbei werden insbesondere die Längsträger, Spanten, Schotten und Beplankungen untersucht.
  • Decks und Aufbauten: Die Decks und Aufbauten, wie beispielsweise Brücken, Aufbauten für Passagiere oder Ladungsräume, werden auf ihre Tragfähigkeit und strukturelle Integrität hin überprüft.
  • Verbindungselemente: Verbindungselemente wie Schweißnähte, Nieten oder Schrauben, die verschiedene Strukturelemente zusammenhalten, werden auf ihre Festigkeit und Zuverlässigkeit geprüft.
  • Tragstrukturen: Spezielle Tragstrukturen wie Kranfundamente, Schotts oder Aufhängungen für Antriebs- und Propulsionssysteme werden untersucht, um sicherzustellen, dass sie den erforderlichen Belastungen standhalten.
  • Ballastsysteme: Ballasttanks oder -systeme werden auf ihre Integrität und ihre Fähigkeit zur Aufnahme von Ballastwasser oder zur Kompensation von Gewichtsverlagerungen geprüft.
  • Schotts und Türen: Schotts (Trennwände) und Türen, die die verschiedenen Bereiche des Schiffes voneinander trennen, werden auf ihre Dichtheit und strukturelle Integrität hin untersucht.

Strukturelle Belastungen: Untersuchungen beinhalten auch die Analyse der strukturellen Reaktionen auf verschiedene Belastungen wie Wellenschlag, Seegang, Kräfte beim Anlegen oder Schlingern.

Die strukturelle Untersuchung erstreckt sich auf verschiedene Aspekte des Schiffes, um sicherzustellen, dass es den Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit,  Sicherheit, Nachhaltigkeit sowie Lebensdauer und Betriebsfähigkeit gerecht wird.

Berechnungskompetenzen

Statische Nachweisrechnung

Der statische Festigkeitsnachweis ist die Standard-FEM-Berechnungen. Ziel ist es hierbei die Tragfähigkeit (Festigkeit) bei einer einwirkenden Last oder einem Lastkollektiv zu belegen. Je nach Komplexität der Konstruktion und der Randbedingungen (Lagerung, Lasten, Material) führen wir eine lineare oder eine nichtlineare FEM-Berechnung durch. In vielen Fällen genügt aus fachlichen, wie auch wirtschaftlichen Gründen eine lineare FEM-Berechnung, welche ein höheres Abstraktionslevel mit sich bringt.

Wenn es jedoch durch große Lasten oder extremen Leichtbau an die Grenzen der Tragfähigkeit geht, bietet sich die nichtlineare FEM-Berechnung an. Dann treten entweder Plastifizierungen, durch Überschreitung der Streckgrenze (materielle Nichtlinearität) auf oder das statische Gleichgewicht bei großen Verformungen (geometrische Nichtlinearität), z.B. durch Knicken oder Beulen steht in Gefahr. In diesen Fällen ist nur die nichtlineare Berechnung aussagekräftig. Dies gilt auch, wenn Kontakte nicht ideal abgebildet werden sollen. Eine materielle Nichtlinearität kann auch durch den verwendeten Werkstoff entstehen, dies ist (häufig) bei Kunststoffen, Magnesium, Composites und Sandwichstrukturen der Fall. Und kann auch durch eine Schraubenberechnung nach VDI2230 ergänzt werden.

Unsere Leistung endet dabei nicht mit der Übergabe der grafisch aufgearbeiteten Spannungen und Dehnungen. Wenn gewünscht interpretieren wir für unseren Kunden die Ergebnisse und zeigen Leichtbaupotenzial auf. Um exakte Ergebnisse berechnen zu können nutzen wir die Materialdaten unserer Kunden bzw. Materialkarten gängiger Werkstoffe aus unserem FEM-Tool. Wir übernehmen ebenfalls vom Kunden gelieferte Kennwerte. Zur Ermittlung unbekannter Materialkennwerte empfehlen wir kompetente Partner aus unserem Netzwerk.

Lebensdauerberechnung

Ein analytisches Verfahren zur Bewertung der Lebensdauer eines Bauteils ist die Bestimmung von dessen Betriebsfestigkeit. Die Betriebsfestigkeitsuntersuchungen beinhalten nicht die Untersuchung von Schädigungen durch Sonderereignisse, wie im Fall der Schocktests. Sie befasst sich vielmehr mit Schädigungen, welche durch alltägliche Langzeitbelastungen mittels Vibrationen im Material entstehen. Im statischen Zugversuch kann der Spannungswert ermittelt werden, ab dem eine Probe beginnt sich plastisch zu verformen und letztendlich zu reißen. Dieser Punkt ist bei Metall durch die Zugfestigkeit eines Werkstoffs festgelegt.

Bei dynamischen Zugversuchen hingegen kann das Versagen schon bei Spannungen weit unterhalb der Zugfestigkeit auftreten. Dieses Phänomen kann mithilfe eines Wöhlerversuchs beschrieben werden. Um in der Technik Einzelkomponenten auf Schädigung bewerten zu können, durchläuft das Gesamtsystem ein vorgeschriebenes Schwingungsprofil. Somit können die Beschleunigungsbelastungen von mehreren hunderttausend gefahrenen Kilometern im Alltag eines Autos in wenigen Stunden auf einem Shaker nachsimuliert werden. Mit den Messdaten des Dauerlaufs und der im Vorfeld angefertigten Wöhlerkurve als Grundlage, kann mithilfe von diversen Softwareangeboten nach dem Prinzip der linearen Schadensakkumulation entschieden werden, ob an Verbindungspunkten oder im Material Spannungen auftreten, welche zum Versagen der Konstruktion führen.

Der Begriff Dauerfestigkeit impliziert das Verhalten, dass ein Bauteil unendlich viele Schwingspiele bei entsprechender Belastung ertragen könnte, ohne jemals einen Riss aufzuweisen. Dies ist in der Realität aber nur mir sehr hohen Sicherheiten realisierbar, welche viele Leichtbau Konzepte nicht umsetzbar machen würde. Somit werden die Dauerfestigkeitswerte mit entsprechenden Minderungsfaktoren multipliziert, um ein Bauteil für einen angemessenen Zeitraum betriebsfest gestalten zu können, ohne unnötig hohe Materialkosten und –mengen kalkulieren zu müssen. Zu jedem Schädigungswert gehört somit immer ein Lebensdauerwert, welcher als Maß für die Betriebsdauer der untersuchten Struktur steht.

Crashberechnung

Die Crashberechnung ist eine Form der FEM-Berechnung. Hierbei werden einzelne oder mehrere Körper auf das Crashverhalten untersucht. Dabei können verschiedene Ziele verfolgt werden. So ist es beispielsweise möglich das Verzögerungsverhalten von Körpern zu bestimmen oder das Verhalten des Körpers im Versagensfall zu untersuchen.

Je nach Größe und Komplexität der Körper und dem Umfang der Testmethoden, kann der Berechnungsaufwand bestimmt werden. Dabei ist unter anderem die Elementgröße und -anzahl ausschlaggebend für die Berechnungsdauer. Die Crashberechnung gibt Aufschluss darüber, wie sich ein Bauteil/Körper unter der Crashlast verhält. Mit diesen Erkenntnissen können im Sinne der Topologie Optimierung die geprüften Körper für den Lastfall genauer ausgelegt werden. Eine Variation des Körpers mit verschiedenen Materialien ist ebenfalls umsetzbar, solange entsprechende Materialkennwerte vorhanden sind.

Zur Auslegung die Prüfmethoden werden Normen und Richtwerte aus der Industrie verwendet. Dabei unterscheiden sich die Prüfmethoden je nach Branche, so werden allein für die Automotiv Branche über zehn verschiedene Tests zur Erfüllung der Anforderungen benötigt. Unsere Leistungen umfassen dabei die Vernetzung und Prüfung der Körper nach den erforderlichen Prüfmethoden. Zusätzlich kann mit den Ergebnissen eine Überarbeitung des bestehenden Körpers zur Verbesserung des Crashverhaltens bei gleichbleibendem Gewicht, oder eine Gewichtsreduktion bei gleichem Crashverhalten erzielt werden. Um exakte Ergebnisse berechnen zu können sind wir auch hierfür auf präzise Materialkennwerte angewiesen.

Materialmodellierung

Unter Materialmodellierung versteht man den Prozess der mathematisch-physikalischen Beschreibung des Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Belastungsbedingungen. Es beinhaltet die Entwicklung von mathematischen Modellen und Gleichungen, die das Verhalten des Materials beschreiben und Vorhersagen über seine mechanischen, thermischen oder anderen physikalischen Eigenschaften eingebettet in FEM-Simulationen ermöglichen.

Ziel ist es, das Verhalten von Materialien unter verschiedenen Belastungen zu verstehen, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen oder Strukturen vorhersagen zu können.

Bei der Materialmodellierung werden experimentelle Daten verwendet, um die Materialverhalten zu charakterisieren. Typischerweise werden verschiedene Materialparameter identifiziert und bestimmt, um das Verhalten des Materials in den Modellen zu repräsentieren. Es gibt verschiedene Arten von Materialmodellen, die für unterschiedliche Materialtypen und Belastungsarten entwickelt wurden, wie z.B. lineare elastische Modelle, plastische Modelle, viskoelastische Modelle, viskoplastische Modelle, Schädigungsmodelle und viele andere.

CFD / Aerodynamische Simulation von Klimasystemen

FEM- Analyse und Modellierung des Luftstroms und der thermischen Bedingungen in einem Klimatisierungssystem. Diese Simulationen werden verwendet, um das Verhalten des Luftstroms zu verstehen, die Leistung des Systems zu optimieren und die Auswirkungen auf den Komfort und die Energieeffizienz zu bewerten.

Bei der aerodynamischen Simulation eines Klimasystems werden mathematische Modelle und numerische Methoden eingesetzt, um die Strömung von Luft, Wärmeübertragung und andere relevante physikalische Phänomene in einem Klimatisierungssystem zu analysieren. Dies umfasst typischerweise:

  • Modellierung der Geometrie: Das Klimasystem und seine Komponenten wie Lüftungskanäle, Düsen, Wärmetauscher und Luftaustrittsgitter werden in einem virtuellen Modell dargestellt, das die tatsächliche Geometrie und Abmessungen des Systems repräsentiert.
  • Strömungssimulation: Durch die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, die die Bewegung der Luft beschreiben, können Simulationen durchgeführt werden, um den Luftstrom in verschiedenen Betriebsbedingungen und Konfigurationen des Klimasystems vorherzusagen. Dies umfasst die Analyse von Druckverteilungen, Strömungsgeschwindigkeiten, Wirbelbildungen und Strömungsverlusten.
  • Wärmeübertragungssimulation: Neben der Strömungssimulation werden auch die Wärmeübertragungseffekte im Klimasystem berücksichtigt, um die Verteilung der Temperaturen und die thermische Leistung der Komponenten zu analysieren. Dies umfasst die Berücksichtigung von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.
  • Bewertung von Leistungsindikatoren: Durch die aerodynamische Simulation können verschiedene Leistungsindikatoren des Klimasystems bewertet werden, wie z.B. die Verteilung der Luftgeschwindigkeiten, die Temperaturverteilung, der Druckverlust, die Luftverteilung im Innenraum und die Effizienz der Wärmeübertragung.

CFD / Aerodynamische Simulation von Fahrzeugbegegnungen

Diese Art der Simulation ermöglicht es, die Wechselwirkungen der Luftströmung zwischen den Fahrzeugen zu verstehen und deren Einfluss auf die Fahrzeugleistung zu bewerten.

Bei der aerodynamischen Simulation von Fahrzeugbegegnungen werden mathematische Modelle und FEM-Simulationsmethoden verwendet, um die Strömungsdynamik, den Druckverlauf und die Kräfte zu analysieren, die bei der Annäherung und beim Vorbeifahren von Fahrzeugen auftreten. Dies umfasst typischerweise folgende Aspekte:

  • Geometriemodellierung: Die Fahrzeuggeometrien werden in einem virtuellen Modell dargestellt, das die tatsächliche Form und Abmessungen der Fahrzeuge repräsentiert. Dies ermöglicht die Simulation der Strömung um die Fahrzeuge herum.
  • Strömungssimulation: Durch die Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, die die Strömung von Luft beschreiben, können Simulationen durchgeführt werden, um die aerodynamischen Effekte während der Fahrzeugbegegnungen zu analysieren. Dies umfasst die Berechnung der Luftströmung, des Druckverlaufs, der Wirbelbildung und der Strömungsturbulenzen.
  • Kräfte- und Widerstandsanalyse: Die Simulation ermöglicht die Analyse der aerodynamischen Kräfte, die auf die Fahrzeuge wirken, sowie die Bewertung des Luftwiderstands und des Auftriebs während der Begegnungen. Dies kann wichtige Informationen liefern, um die Stabilität, das Fahrverhalten und den Energieverbrauch der Fahrzeuge zu bewerten.
  • Optimierung: Die aerodynamische Simulation von Fahrzeugbegegnungen kann auch zur Optimierung der Fahrzeuggeometrie, der Luftleitelemente und anderer aerodynamischer Eigenschaften verwendet werden, um den Luftwiderstand und den Energieverbrauch zu reduzieren.

CFD / Thermische Simulation von Wärmetauschern

Die Simulation von Wärmetauschern bezieht sich auf den Prozess der Modellierung und Analyse von Wärmeübertragungsgeräten oder -komponenten, die verwendet werden, um Wärme von einem Fluid auf ein anderes zu übertragen.

  • Bei der Simulation von Wärmetauschern werden numerische Methoden und Modelle verwendet, um das Verhalten des Wärmeübertragungsprozesses zu verstehen, die Leistung des Wärmetauschers zu bewerten und verschiedene Betriebsbedingungen zu analysieren. Typischerweise umfasst die Simulation von Wärmetauschern folgende Aspekte:
  • Strömungssimulation: Die Strömung von Fluiden, die durch den Wärmetauscher fließen, wird modelliert und analysiert. Dies umfasst die Berechnung von Strömungsgeschwindigkeiten, Druckverteilungen und Wirbelbildungen innerhalb des Wärmetauschers.
  • Wärmeübertragungssimulation: Die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden im Wärmetauscher wird modelliert, um die Wärmeleistung zu bewerten. Dies umfasst die Berechnung von Temperaturverteilungen, Wärmeleitungs- und Konvektionsprozessen.
  • Materialverhalten: Die Simulation kann auch das Verhalten der Materialien berücksichtigen, aus denen der Wärmetauscher besteht, um die Wärmeübertragungseffizienz und die Auswirkungen von Wärmedehnung, Verschleiß oder Korrosion zu bewerten.
  • Optimierung: Durch die Simulation von Wärmetauschern können verschiedene Konfigurationen, Geometrien oder Betriebsparameter analysiert werden, um die Leistung und Effizienz des Wärmetauschers zu optimieren.

Methodische Optimierung

Einflussgrößenanalyse

Im Laufe der Zeit ändern sich Anforderungen an eine Komponente. Dies kann innerhalb eines Produktentwicklungsprozess, aber auch über mehrere Produktgenerationen passieren. Aufgrund des hohen Drucks Entwicklungszeiten zu reduzieren und der häufigen Trennung der Verantwortung für die Anforderungen und der Entwicklung/Konstruktion passiert es vielfach, dass Anforderungen nicht hinterfragt werden. Auch das Verständnis für die Beziehungen und Einflüsse zwischen mehreren Komponenten geht verloren, wenn die Verantwortungsbereiche strikt getrennt sind.

Wir treten einen Schritt zurück und analysieren die Beziehungen, Abhängigkeiten und Einflüsse eines Systems oder einer Komponente. Das Ergebnis, in einem Schaubild visualisiert, hilft dabei Zusammenhänge zu verstehen. Nur so lassen sich Schwachstellen aufdecken und Potenziale, primäre wie sekundäre, identifizieren. Unser Kunde kann daraufhin gezielt Maßnahmen ergreifen, welche Gewichte und/oder Kosten reduzieren.

Strukturoptimierung

Für die Strukturoptimierung in einem Leichtbauberatungsprozess wird das Produkt mit Hilfe von Finite-Elemente-Analyse Programmen in einem Berechnungsprozess strukturmechanisch optimiert. Dabei werden anhand der Produktanforderungen geeignete Berechnungsmethoden gewählt. Das Produkt soll nach der Strukturoptimierung alle technischen Anforderungen weiterhin vollständig erfüllen.

Topologieoptimierung

Durch das Visualisieren der Lastpfade kann das zu optimierende Bauteil bei minimalem Materialeinsatz, also minimalem Gewicht, mit größtmöglicher Steifigkeit entwickelt werden. Die Konstruktion folgt so dem Leichtbaugrundsatz „Materialeinsatz nur dort, wo es sinnvoll ist“.

Durch die passenden Parametereinstellungen, hier Restriktionen und Optimierungsziel genannt, wird sichergestellt, dass das Ergebnis zu den Kundenanforderungen passt. So können unter anderem Fertigungsverfahren, Symmetrien, min/max Wandstärken und zu erreichende Sicherheitswerte definiert werden. Im Anschluss an eine Topologieoptimierung bietet sich eine Überführung in eine CAD-Konstruktion an. Mit Hilfe derer kann ein statischer Festigkeitsnachweis durchgeführt werden, Angebote von Fertigern eingeholt werden, oder ein Muster im 3D-Drucker erstellt werden.

Topographieoptimierung

Ähnlich wie bei der Topologieoptimierung bietet die Topographieoptimierung die Möglichkeit die Eigenfrequenz und/oder Steifigkeit zu optimieren. Dreht es sich bei der Topologieoptimierung um volumige Bauteile (z.B. Fräs- oder Gussbauteile), werden bei der Topographieoptimierung dünnwandige bzw. schalenförmige Bauteile (z.B. geformte Blechteile) optimiert. Für minimales Gewicht oder höchste Steifigkeiten werden schalenförmige Bauteile durch Sicken, d.h. durch Einbringung von Erhöhungen oder Vertiefungen senkrecht zur Oberfläche, versteift. Die Topographieoptimierung hilft, das perfekte Sickenmuster zu finden. Durch Parametereinstellungen wird dabei die Fertigbarkeit berücksichtigt. Im Anschluss an eine Topographieoptimierung bietet sich eine Überführung in eine CAD-Konstruktion an. Mit Hilfe derer kann ein statischer Festigkeitsnachweis durchgeführt werden, Angebote von Fertigern eingeholt werden, oder ein Muster im 3D-Drucker erstellt werden.

Sizeoptimierung / Größenoptimierung

Diese Methode optimiert die Abmessungen eines Bauteils, um bestimmte Leistungsziele wie Festigkeit oder Steifigkeit zu erreichen. Es können auch geometrische Parameter variiert werden, um die Leistung zu verbessern.

Formoptimierung

Bei der Formoptimierung werden die Oberflächengeometrie und die Profilform eines Bauteils optimiert, um bestimmte strukturmechanischen Ziele zu erreichen.

Parameteroptimierung

Diese Methode optimiert numerische Parameter, die in mathematischen Modellen oder Simulationen verwendet werden, um die besten Werte für bestimmte Zielgrößen zu finden.

Systemoptimierung

Neben der Bewertung des Systems und den vorhandenen Strukturen wird auch Materialleichtbau genutzt. Darüber hinaus legen wir ein besonderes Augenmerk auf die Funktionskombination und -integration über den Systemleichtbau sowie die spezielle Betrachtung von Bauteilschnittstellen als auch der Berücksichtigung von „Snowball-Effekten“, welche die gegenseitige Rückkopplung der Leichtbaumaßnahmen zueinander bezeichnet. Der holistische Ansatz spiegelt sich auch hier wider, da die Gewichtseinsparungen direkt auf das Lastenheft als auch das Gewichtsbuch zurückgespiegelt werden können, wodurch neue Potenzial in anderen Baugruppen entstehen.

Modalanalyse

Bei der Modalanalyse werden Eigenfrequenz und der Eigenschwingungsformen einer Komponente ermittelt, die der Auslegung dynamisch belasteter Strukturen dienen.
Die Analyse kann an ungespannten, eingespannten und vorgespannten sowie an ungedämpften als auch gedämpften Systemen durchgeführt werden. Darüber hinaus hilft die Eigenfrequenzermittlung bei der Beurteilung von durchgeführten Strukturoptimierungsmaßnahmen. Eine gleiche oder höhere Eigenfrequenz, bei geringerer Masse kann als Indikator für eine erfolgreiche (Gewichts-)Optimierung herangezogen werden. Diese Vereinfachung kann getroffen werden, wenn der Nachweis im Gesamtsystem zeit- oder kostenaufwändig ist.

Frequenzganganalyse

Durchführung einer Analyse zur Identifizierung potenziell gefährlicher Frequenzen des Designs und zum Vergleich mit dem externen Schwingungsmuster. Das Ziel dieser Analyse besteht darin, vorherzusagen und zu verhindern, dass das untersuchte System oder die Komponente   bei Resonanzfrequenzen arbeitet. Diese Betriebsart kann zu Ausfällen aufgrund von mechanischen Beschädigungen führen.

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