ANSYS Simulationsanwendungen für die Entwicklung von ... · kalisches System abgebildet – Simulating the Entire System! Die Simulationsmöglichkeiten im Bereich der Elektromobilität

Ausgabe 01/2009

ANSYS Simulationsanwendungen für die Entwicklung von Windkraftanlagen

Effizient in allen Teilen

www.cadfem.deAusgabe 01/2011

InfoplanerFEM: Software · Support · Seminare · Berechnung im Auftrag

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Der Titel des ersten CADFEM Films vor21 Jahren lautete „gone with ANSYS“frei nach dem Klassiker „gone with thewind“ (vom Winde verweht). Wer überdie Jahre treuer Besucher der CADFEMUsers` Meetings war, kam immer wie-der in den Genuss einer solchen nichtganz ernst gemeinten Uraufführung.Mittlerweile spielen einige der dama-ligen Nebendarsteller eine Hauptrollebei CADFEM.

Auch Regie führen andere, es wurde andieser Stelle des Infoplaners bereits aus-führlich darauf hingewiesen. Der Regie-Altmeister ist leise abgetreten und denktmanchmal laut vor sich hin, denn von sei-ner Erfahrung wollen/sollen die jungenFilmemacher noch lange zehren. Undselbstverständlich, das Drehbuch beiCADFEM schreibt weiterhin ANSYS. Waswir tun, denken und lenken dreht sich zu100% um ANSYS. ANSYS hat sich alsGlücksfall für CADFEM herausgestelltund CADFEM ist ein Glücksfall fürANSYS. Kürzlich, an der ANSYS WorldWide Sales Conference, wurde ich einmalmehr Zeuge dieses Einflusses. CADFEMist ein sehr wichtiger Partner von ANSYSund kann durch lokale Markt- undWettbewerbskenntnisse auch Zukunftund Strategie der Produkte beeinflussen.Kunden fragen mich, was es denn bringe,wenn man seine Entwicklungswünscheund Verbesserungsvorschläge bei CADFEMdeponiert? Viel, denn aus guten Vor-schlägen wird Realität. CADFEM wirdgehört.

Mittlerweile spielt bei uns auch das ThemaWind im Bereich der alternativen odergrünen Energieerzeugung eine wichtigeRolle. Wir haben in der Berechnung vonComposites-Materialien bei ANSYS Nach-holbedarf erkannt und haben deshalb zu-sammen mit der EVEN AG aus Zürich denANSYS Composite PrepPost entwickelt.

Jetzt modellieren unsere Kunden nicht nureffizient Rotorblätter von Windkraftanla-gen, sondern bilden ganze Berechnungs-prozesse CAD-integriert ab. Dabei unter-stützt sie auch ESAComp von Componee-ring aus Helsinki. ESAComp wird für dieVordimensionierung eingesetzt und liefertMaterialdaten. Unsere Kompetenz habenwir ausgebaut und wir haben viel Rücken-wind durch die ANSYS Strategie und Vision.Von der Auswahl von geeigneten Stand-orten für Windkraftanlagen zu Generato-

ren, Getriebe, Gehäuse, bis zur strömungs-optimierten Form von Rotorblättern. ANSYSbildet die ganze Simulationskette ab. Dasist einzigartig! CADFEM liefert das Ge-samtpaket inklusive Know-how Transfer,Training und Support. Langfristig!

Merken Sie sich das Wort Systemsimula-tion. Vor 20 Jahren waren wir glücklicheIngenieure, wenn unsere Modelle 10.000Knoten gross waren. Kontinuierlich stiegen

die Ansprüche und die Lösungen. Heutewollen Baugruppen mit Hunderten von Bau-teilen und Millionen von Freiheitsgradengelöst werden. Der nächste Schritt heisstSystemsimulation. Unser Vorzeigebeispielist ein Hybridfahrzeug. Zusammen miteinem brasilianischen Automobilherstellerhat CADFEM ein komplettes System abge-bildet. Was zunächst nach einer windigenIdee aussah, wird nun zur Realität. Von derBatterie zur Elektronik, zum Elektromotor,zum mechanischen Antriebsstrang, zur Re-gelung können wir alle Komponenten ineiner Gesamtsystemsimulation abbilden.

Auch hier gilt: ANSYS hat die Strategie unddie Vision, CADFEM setzt sie zusammenmit Ihnen in die Realität um. Was als ein-zelne Komponente optimal funktioniert,funktioniert noch lange nicht im Zusam-menspiel aller Komponenten. Achsversagenan Zügen, Fahrzeug-Rücklaufaktionen,berstende Bohrinseln… Beispiele bei denenzu wenig oder gar nicht simuliert wurdegibt es genügend. Einer der den „wind ofchange“ gestaltete sagte einst: „Wer zuspät simuliert, den bestraft das Leben.“

Markus DutlyGeschäftsführer CADFEM (Suisse) [email protected]

P.S.Vor 20 Jahren gab es an dieser Stelle einmaleinen peinlichen Tippfehler. Günter Müller,Geschäftsführer der CADFEM GmbH zeich-nete mit „gesellschaftender Geschäfts-führer“ anstatt „geschäftsführender Ge-sellschafter“. Daraufhin musste der Nach-wuchs in nächtelanger Fleissarbeit diesenFehler mit TippEx korrigieren. Heute ist derdamalige Geschäftsführer endlich mehr amGesellschaften und das gönnen wir ihm.

CADFEM – Seite an Seite mit ANSYS

Editorial

1Infoplaner 01/2011

Seit über 20 Jahren das Gesicht und die Stimme

von CADFEM in der Schweiz: Markus Dutly

Foto: Jan-Stefan Knick

2 Infoplaner 01/2011

CADFEM

ANSYS Conference & 29. CADFEM Users’ Meeting19. – 21. Oktober 2011, Stuttgart, ICS Internationale

Willkommen in der ModellregionElektromobilität ist aus ökologischen und ökonomischenGründen eine der großen Herausforderungen der nächstenJahre. Schritt für Schritt wird sie im Alltag der Menschentraditionelle Formen der Mobilität ablösen. Um diesenProzess besser zu verstehen und zu optimieren, wurdenProjekte zur Elektromobilität in sogenannten Modellregio-nen definiert.

Um die Elektromobilität besser zu verstehen und zu optimieren,hat der Simulationsspezialist ANSYS sein Portfolio um ein Set anAnwendungen erweitert, das für die Entwicklung und Umsetzunginnovativer Antriebskonzepte buchstäblich Modellcharakter hat:Strukturmechanische, strömungsmechanische oder elektromagne-tische Simulationsmodelle der einzelnen Komponenten werden ineiner einheitlichen Umgebung, einzeln, im Zusammenspiel undunter Berücksichtigung der Steuerung als komplettes multiphysi-kalisches System abgebildet – Simulating the Entire System!

Die Simulationsmöglichkeiten im Bereich der Elektromobilität undin vielen weiteren aktuellen Anwendungsgebieten, in denen struk-turmechanische, strömungsmechanische und elektromagnetischeFragestellungen sowie deren Systemintegration von großer Be-deutung sind, stehen im Mittelpunkt der ANSYS Conference &und des 29. CADFEM Users’ Meetings, zu dem Sie die CADFEMGmbH und die ANSYS Germany GmbH vom 19. – 21. Oktober2011 einladen. Im Internationalen Congresscenter der Modell-region Stuttgart dreht sich an drei Tagen in Fachbeiträgen vonAnwendern, in Kompaktseminaren und Technologie-Updates allesum den aktuellen Stand der Simulation in einer effizienten, inno-vationsorientierten Produktentwicklung mit ANSYS und komple-mentären Lösungen.


CADFEM

3Infoplaner 01/2011

2011es Congresscenter Stuttgart

www.usersmeeting.com

Themen & Struktur 2011Voraussichtliche Programmstruktur

Mittwoch, 19. Oktober 2011• Eröffnungsplenum• ANSYS Softwareneuheiten:

- Strukturmechanik- Strömungsmechanik- Elektromagnetik & Hochfrequenztechnik- Systemsimulation & Multiphysik

• Robust Design Optimization, High Performance Computing,Model Order Reduction

• Simulationslösungen für: Elektromobilität, Batterieentwicklung,Maschinenbau, Windkraft, Elektronik, Biomechanik, Bauwesen,Green Buildings

Donnerstag, 20. Oktober 2011• Anwenderbeiträge:


• 8. CAE-Forum• Abschlussplenum• Große Abendveranstaltung

Freitag, 21. Oktober 2011• Kompaktseminare:


Jetzt Vortragsangebote einreichen!

Anwender von ANSYS sind sehr herzlich eingeladen, sich aktiv ander Programmgestaltung zu beteiligen. Bitte senden Sie uns biszum 31. Mai 2011 Ihre Vortragsangebote für einen Beitrag amDonnerstag, 20. Oktober 2011.

Jetzt schon anmelden und Frühbucherkonditionen sichern!

Wenn Sie schon heute wissen, dass Sie die Veranstaltung besuchenwerden, dann sollten Sie sich vor dem 31. Mai 2011 anmeldenund sich einen Frühbucherrabatt von 10% sichern. Eine kosten-lose Stornierung ist bis einen Monat vor der Veranstaltung mög-lich.

Präsentieren Sie sich in der Fachausstellung!

Die begleitenden Fachausstellung ist an allen drei Veranstal-tungstagen der zentrale Treffpunkt in den Pausen und teilweisebei den Mahlzeiten. Wenn Sie zu ANSYS komplementäre Produkteoder Dienstleistungen anbieten, informieren wir Sie gerne überdie Möglichkeiten!

Alle Informationen und Anmeldemöglichkeiten zur Vortrags-einreichung, Teilnehmerregistrierung und Fachausstellung sowieviele weitere Details finden Sie auf www.usersmeeting.com

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Inhalt

Rotordynamische Analysen mit ANSYS:Damit es rund läuft

Schnell drehende Strukturen erzeugen Effekte, die die Effizienz des Gesamtsystems beeinträchtigen. Mit ANSYS Workbench kann hier gezielt gegengesteuert werden.

Seite 38 – 4138

Akustik-Simulation mit ANSYS Workbench:Den richtigen Ton treffen

Mit dem Workbench Add-In ANSYS Acoustics Structures kann der abgestrahlte Schall einer vibrierenden Struktur in wenigen Mausklicks berechnet werden. Akustik für alle.

Seite 3737

Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost:Stabile Faserverbundbauweise

An der TU Chemnitz wurden die Beanspruchungen eines Fahrradrahmens aus CFK im Fahrbetrieb mit ANSYS Composite PrepPost virtuell abgebildet und analysiert.

Seite 44 – 4644

Inhalt

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ANSYS Simulationsanwendungen für die Entwicklung von Windkraftanlagen:Effizient in allen Teilen

ANSYS Workbench ist die Simulationsplattform für die Entwicklung von Systemen, bei denen es auf Energieeffizienz ankommt.

Wie ANSYS im Windenergiesektor von der Entwicklung der Rotorblätter bis hinunter zur Optimierung der Pfahlgründung eingesetzt wird, erfahren Sie auf

Seite 12 – 29© iStockphoto.com/pareto

Inhalt / Impressum

5Infoplaner 01/2011

01 Editorial

CADFEM02 ANSYS Conference & 29. CADFEM Users’ Meeting 2011 in Stuttgart06 CADFEM News – Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt11 CADFEM International: Ein Dach für weltweite Aktivitäten

Themenschwerpunkt Windkraft12 Effizient in allen Teilen: Simulation mit ANSYS in der Windkraft14 Überblick: Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung16 Faserverbundwerkstoffe: Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPost18 Luftströmung: Turbulente Windparkplanung21 Linearelastische Bruchmechanik mit ANSYS Workbench22 Betriebsfestigkeit: Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer24 Systemsimulation des elektrischen Netzes: Simulation mit System26 Lärmreduzierung bei der Offshore-Pfahlgründung: Stillerer Ozean28 Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern

ANSYS32 ANSYS im Überblick33 Neu in ANSYS 13.034 ANSYS Software im Überblick35 CADFEM – ANSYS Competence Center FEM36 Komplementäre CAE-Software zu ANSYS37 Akustik-Simulation in Workbench38 Rotordynamische Analysen mit ANSYS: Damit es rund läuft42 ANSYS EKM kann nicht nur Daten verwalten44 Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost:

Stabile Faserverbundbauweise

esocaet – European School of Computer Aided Engineering Technology47 Job oder Masterstudium? Am besten beides! CAE-Trainee bei der CADFEM GmbH48 6. CAE-Forum betrachtete die Wirtschaftlichkeit von Simulationen

Grundlagen & Technologie49 Revisiting the Mechanical Testing of Human Arterial Tissue

Considering Residual Stresses52 Review of the Basic Hyperelastic Constitutive Models in ANSYS 13.0

CADFEM Empfehlungen30 Reisebericht: Ins Reich der Mitte & aufs Dach der Welt54 Particle Productions: Promotional films optimised for web, trade fairs and podcasts

56 Bestellformular für Bücher und Software

U2 Anzeige HP20 Anzeige Erneuerbare Energien47 Anzeige esocaet – CADFEM GmbH51 Anzeige Matereality – IDACU3 Anzeige expert-verlag

Impressum

Herausgeber:CADFEM GmbHMarktplatz 285567 Grafing b. MünchenTel. +49 (0) 80 92-70 05-0Fax +49 (0) 80 92-70 05-77E-Mail [email protected]

Anzeigen/Koordination/Redaktion:Alexander Kunz, [email protected] Gerhard Friederici, [email protected]

Layout:christian loose grafik design, Aßling/Lorenzenberg

Produktion:Bechtle Druck & Service, EsslingenAuflage 35.000 Exemplare

Geschäftsführer:Christoph Müller, M.Sc.,Dr.-Ing. Jürgen Vogt,Erke Wang

Handelsregister-Nummer:HRB München Nr. 75979

Ust.-Ident.-Nummer:DE 131171831

Steuernummer:114/123/00051

Betriebshaftpflichtversicherung:Zurich Gruppe DeutschlandPoppelsdorfer Allee 25-3353115 Bonn

Geltungsbereich: weltweit

Copyright:© 2011 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten.Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalbder engen Grenzen des Urheberrechtsschutzes ist ohneZustimmung der CADFEM GmbH unzulässig. Dies giltinsbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen,Mikroverfilmungen und die Einspeicherung undVerarbeitung in elektronischen Systemen.

Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen:ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS,ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mecha-nical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics,ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYSCFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYSFLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer,SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt,ANSYS nCode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics,ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYSHPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen vonANSYS, Inc. sind registrierte Warenzeichen oder Waren-zeichen von ANSYS, Inc. und Ansoft Corp.. LS-DYNA,LS-OPT und LS-PrepPost sind registrierte Warenzeichender Livermore Software Technology Corp..

Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sindWarenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer je-weiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierungkann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnungein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vor-behalten.


CADFEM News

■ Neu bei Hanser: Praxisbuch FEM mit ANSYS WorkbenchEinführung in die lineare und nichtlineare Mechanik

Das Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench von CADFEMMitarbeiter Christof Gebhardt richtet sich an Ingenieure undtechnisch Verantwortliche aus der Entwicklung. Auf verständlicheWeise werden die Grundlagen der Finite-Elemente-Methode (FEM)vermittelt und die Anwendungsgebiete lineare und nichtlineareStatik sowie lineare und nichtlineare Dynamik erläutert.

Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der praktischen Anwen-dung von ANSYS Workbench, bezogen auf die Version 13.0. Dazugehören die geeignete Vernetzung, die Definition und Kontrollevon Last- und Lagerbedingungen, aber auch die Wahl despassenden Berechnungsansatzes (lineare/nichtlineare oder impli-zite/explizite Lösung).

Christof GebhardtPraxisbuch FEM mit ANSYS WorkbenchEinführung in die lineare und nichtlineare Mechanik

Erschienen im Hanser-Verlag (2011)372 SeitenFlexibler Einband, PappbandISBN-10: 3-446-42517-9ISBN-13: 978-3-446-42517-0

Einzelpreis EUR 49,90

Bezug:

Bestellen Sie Ihr Exemplar mit dem Formular auf der letzten Seitedieses Infoplaners oder online auf www.cadfem.de/shop

Matereality und IDAC UK präsentieren die Materialdatenbank für ANSYS 13.0

Die Materialdatenbank ist in ANSYS Workbench 13.0 integriertund auch mit anderen ANSYS Versionen kompatibel. Sie enthältdie linearen und nicht-linearen Datensammlungen von IDAC UK,die nicht-lineare CAE-Materialdatenbank von DatapointLabs, dieelektronische Materialdatenbank von NIST sowie Datensammlun-gen von vielen Kunststoffherstellern.

2.000 Materialmodelle sofort verfügbar für ANSYS undTausende mehr auf Anfrage!

Mit einer einmaligen Gebühr haben Anwender Zugang zu einerstetig wachsenden Datenbank für ANSYS und zu weiteren Daten,die in Matereality veröffentlicht sind.

In Matereality können Anwender außerdem ihre eigenen Daten-sammlungen erstellen, pflegen und mit ANSYS Workbench ver-binden!

[email protected]

■ Materialdatenbank für ANSYS 13.0

CADFEM News

7Infoplaner 01/2011

■ CADFEM auf Messen und Kongressen

JEC Composites Show29. – 31. März 2011 in ParisHalle 1.1 Stand F35

www.jeccomposites.com/jec-show

Hannovermesse – Digital Factory4. – 8. April 2011 in HannoverHalle 17, Stand D51Halle 17, Stand C48 (Sonderschau RapidX)

www.hannovermesse.de

International Conference on Sustainable Automotive Technologies5. – 6. April 2011, Clemson University / CU-ICAR (USA)

www.cuicar.com/icsat

21. ANSYS User Club Deutschland e.V. Workshop7. – 9. April 2011 in Stuttgart

www.auc-ev.de

8. Jenaer Akustiktag27. April 2011 in Jena

www.mb.fh-jena.de

kunststoffe + SIMULATION17. – 18. Mai 2011 in München

www.hanser-tagungen.de/simulation

PCIM EuropePower Electronics / Intelligent Motion / Power Quality17. – 19. Mai 2011 in NürnbergHalle 12, Stand 516

www.pcim.de

■ ESAComp Users’ Meeting

The seminar is arranged jointly by Componeering Inc., thedeveloper of ESAComp software, and Lehrstuhl für CarbonComposites (LCC) at TU München. The first seminar day in-cludes an introduction to TUM-LCC activities, update on thelatest developments in the ESAComp software, and severalcomposite design and simulation related presentations byprofessionals from the industry and research institutes. Thesecond seminar day consists of two parallel workshops, onefor Aerospace industry and the other one for Marine, windenergy and industrial applications. These are followed by aworkshop on composites optimization in the afternoon. Inparallel with the workshops, a one-day ESAComp trainingcourse is provided.

www.esacomp.com

7. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomechanik19. – 21. Mai 2011 in Murnau

www.conventus.de/dgfb2011

8th European LS-DYNA Conference23. – 24. Mai 2011 in Strasbourg (F)

www.lsdynaeuc.alyotech.fr

10. BlechExpoDie Internationale Fachmesse für Blechbearbeitung6. – 9. Juni 2011 in StuttgartHalle 8, Stand 8500

www.blechexpo-messe.de

Multiphase FlowsSimulation, Experiment and Application8. – 10. Juni 2011 in Dresden-Rossendorf

www.ansys-germany.com

4. GACM Colloquium on Computational Mechanics for Young Scientists from Academia and Industry31. August – 2. September 2011 in Dresden

www.gacm.de


CADFEM News

■ CADFEM Users’ Meetings

ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users’ Meeting

Vom 7. – 8. April 2011 findet die ANSYS Conference & das 6. CADFEM Austria Users’ Meeting in Wien statt. Die Konferenzrichtet sich an alle, die Produkte virtuell entwickeln – oder dies inZukunft tun wollen – und ist der jährliche Fixpunkt in der CAE-Landschaft Österreichs.

Im Blickpunkt der 6. Fachtagung stehen schnelle Entwicklungenund optimierte Produkte, die Sie mit ANSYS und komplementärenSimulationstechnologien berechnen können.

www.usersmeeting.at

ANSYS Conference & 16. Schweizer CADFEM Users’ Meeting

Vom 30. Juni – 1. Juli 2011 richten die CADFEM (Suisse) AG unddie ANSYS Germany GmbH in Zürich die diesjährige ANSYSConference & das 16. Schweizer CADFEM Users’ Meeting aus.

Das Programm wird momentan zusammengestellt, Vortrags-einreichungen werden noch entgegen genommen.

www.usersmeeting.ch

■ CADFEM Geschäftsstelle in Lausanne ist umgezogen

Weil die bisherigen Räumlichkeiten aus allen Nähten zu platzendrohten, ist die Geschäftsstelle der CADFEM (Suisse) AG in Lausannevon der Uferpromenade am Genfer See nach Renens, unmittel-bar vor den Toren Lausannes, umgezogen.

Neue Adresse:

CADFEM (Suisse) AGAvenue de la Poste 31020 RenensTel. +41 (0) 21-6 14 80-40Fax +41 (0) 21-6 14 80-49 E-Mail [email protected]

■ Fachzeitschrift: „caMe – ComputerAided Medical Engineering“

Die neue Fachzeitschrift„caMe – ComputerAided Medical Engi-neering“ beschäftigtsich mit etablierten In-genieursmethoden indem relativ neuen An-wendungsgebiet derMedizin beziehungs-weise der Biomechanik.Mit ihrer bewusst sehrpraxisorientierten Aus-richtung wendet sie sichunter anderem an Ent-wicklungs- und Dienst-leistungsunternehmenim medizinischen Um-feld sowie an Forscheraus diesem Bereich.

caMe informiert mit aktuellen Fachbeiträgen und Branchenmel-dungen über die Einsatzgebiete der Simulationsmethoden in derMedizin, über den heutigen Stand der Technik und gibt einen Aus-blick, welches Nutzenpotential sich demnächst erschließen lässt.

Die aktuelle Ausgabe (März 2011) kann kostenfrei per E-Mail an [email protected] angefordert werden.

■ Simulation online lernen:eFEM für Praktiker

Die Kenntnis der rechnergestützten Simulationstechnik auf Basisder Finite-Elemente-Methode (FEM) bedeutet Lösungskompetenzfür Probleme, mit denen sich die Fachleute aus der Produktent-wicklung täglich auseinandersetzen müssen.

Galt die FEM-Simulation bis in die jüngste Vergangenheit als eineSache für Spezialisten, öffnen neue Software-Tools breitere An-wendungsmöglichkeiten. Allerdings fehlt oft noch das nötigeKnow-how, um sie gezielt einzusetzen.

Mit dem e-Learning Kurs eFEM für Praktiker können Techniker,Konstrukteure oder Versuchsingenieure diese Wissenslückeschließen. Angeboten vom Simulationsspezialisten CADFEM, ver-mittelt der Kurs Grundlagen in der Anwendung der FEM.

Die nächsten Kurse starten am 2. Mai 2011 und am 6. September 2011.

www.esocaet.com/training

■ FEM-Information kompakt und kostenfrei

CADFEM News

9Infoplaner 01/2011

Informationstage

ANSYS Strukturmechanik• Workflow und Werkzeuge• FEM-Theorie• Material• Statik• Dynamik

Termine• 13. April 2011 in Nürnberg• 5. Mai 2011 in Birr (CH)• 17. Mai 2011 in Aachen• 24. Mai 2011 in Berlin• 16. Juni 2011 in Wels (A)• 6. Juli 2011 in München• 12. Juli 2011 in Friedrichshafen

Info & Anmeldungwww.cadfem.de/strukturmechanik

Themen weiterer Informationstage:• Robust Design Optimierung• FEM in der Prothetik• Elektromechanik

Info, Termine & Anmeldungwww.cadfem.de/infotage

Informationstage & Info-Webinare

Von der grundlegenden Einführung in das Thema FEMüber vertiefende Informationen zu neuen Produkten undModulen bis hin zu Technologie-Updates erfreuen sich diekostenfreien CADFEM Infotage und Info-Webinare großerBeliebtheit.

Während die ganztägigen Informationstage Seminar-charakter haben und den Teilnehmern ein Gesamtbild ver-mitteln, erhalten die Teilnehmer der Info-Webinare onlineam eigenen Arbeitsplatz in einer Stunde wesentliche In-formationen zu einem Spezialthema.

Im Mittelpunkt steht die technische Anwendung. Ziel ist,Interessierten einen kompakten und praxisorientiertenÜberblick zum gewählten Thema zu geben, als Entschei-dungsgrundlage für einen möglichen Einsatz bei aktuel-len oder künftigen Entwicklungsprojekten.

Webinare

Themen, Info, Termine & Anmeldungwww.cadfem.de/webinare

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CADFEM News

■ CADFEM Users’ Meeting 2010in Aachen – Rückblick

Zur ANSYS Conference & dem 28. CADFEM Users’ Meeting vom3. – 5. November 2010 in Aachen konnten CADFEM und ANSYSGermany über 650 externe Teilnehmer begrüßen. Die CD-ROMmit über 90% der mehr als 250 Anwenderbeiträge und Work-shops kann bei CADFEM erworben werden.

Ein Rückblick zu Aachen 2010 und alle Informationen zur dies-jährigen Veranstaltung vom 19. – 21. Oktober 2011 in Stuttgartfinden sich auf

www.usersmeeting.com

■ ANSYS mit neuer Homepage

ANSYS hat Anfang des Jahres das Design der Firmenhomepageüberarbeitet und präsentiert sich nun im Netz mit einem aufge-frischten Auftritt.

www.ansys.com

■ Symposium 2011:ANSYS Simulationslösungenfür elektromechanische Systeme

18. Mai 2011 in Würzburg

Die ANSYS Suite bietet verschiedene Werkzeuge für die Ausle-gung von elektromechanischen Systemen. So wird Maxwell alsetabliertes Werkzeug für die Berechnung von niederfrequentenelektrischen und magnetischen Feldern eingesetzt.

In Kombination mit ANSYS Workbench ist Maxwell insbesonderefür die Simulation von elektrischen Antrieben (Elektromotoren,Elektromagneten, Sensoren etc.) zugeschnitten. Ergänzt wird esim Bereich der analytischen Berechnung von Elektromotoren durchRMxpert bzw. von Spulensystemen durch PExpert sowie zur System-simulation mit Simplorer.

Durch die Verzahnung der Einzelwerkzeuge und dem Austauschvon Daten mit ANSYS Mechanical und ANSYS CFD sind komplexeBerechnungen von elektromechanischen Systemen, z.B. thermi-sche oder akustische Wechselbeziehungen, schnell und effizientin ANSYS Workbench möglich.

In diesem Symposium werden die Vorteile der ANSYS Lösung fürdie Simulation elektromechanischer Systeme vorgestellt und anzahlreichen Beispielen aufgezeigt.

www.cadfem.de/symposium


CADFEM News

11Infoplaner 01/2011

Zu CADFEM International (CFI) gehören die deutsche CADFEMGmbH, die CADFEM (Suisse) AG und die CADFEM (Austria) GmbH,bei denen insgesamt rund 150 Mitarbeiter tätig sind. Außerdemist CFI an den Unternehmen CADFEM Engineering Services IndiaPVT Ltd. (Indien), CADFEM Technology India PVT Ltd. (Indien),Anshizhongde Consulting (Beijing) Ltd. (China), CADFEM CIS (Russ-land), SVS FEM (Tschechien), MESco (Polen) und CADFEM US, Inc.(USA) beteiligt, die ebenso wie CADFEM in Zentraleuropa ihr Haupt-geschäft mit ANSYS-Lösungen realisieren.

Zusätzlich bestehen CFI-Beteiligungen mit unterschiedlich großenUnternehmensanteilen bei Copf-Bionic India (Indien), Ozen En-gineering Inc. (USA), A&Z (Schweden), Componeering (Finnland),inuTech GmbH (Deutschland), Dynardo GmbH (Deutschland), vir-tualcitysystems GmbH (Deutschland) und MyDomicile.com GmbH(Deutschland). Diese Unternehmen sind im ANSYS-komplementärenBereich und auch in anderen Anwendungsfeldern tätig. Insgesamtbeschäftigen die CFI-Unternehmen etwa 320 Mitarbeiter.

Small is beautifulMit der Beteiligung an anderen Unternehmen, der Gründung vonneuen Unternehmen gemeinsam mit anderen Spezialisten sowieder Unterstützung von interessanten Neugründungen folgtCADFEM International (CFI) der Devise „Small is beautiful“. Dennkleine Firmen können flexibel agieren, deren Mitarbeiter über-nehmen viel Verantwortung und ihre Identifizierung mit dem„eigenen“ Unternehmen ist sehr hoch.

Über die CFI können größere Consulting-Aufträge auf unter-schiedliche Firmen unter dem gemeinsamen Dach verteilt werden.Beispielsweise sind kostengünstige Ressourcen in Indien oder Russ-land nutzbar. Außerdem dienen erfolgreiche Geschäftsprozesseeines CFI-Unternehmens als Vorbild für Schwester-Unternehmen.

CADFEM in Russland, Indien, USAIm Jahr 2011 soll ein besonderes Augenmerk auf den Ausbau derGeschäftstätigkeiten in Russland, Indien und der USA gelegtwerden. CADFEM CIS in Russland beschäftigt zur Zeit über 20Mitarbeiter und ist neben der Zentrale in Moskau auch in St. Petersburg, Kiew, Samara und Irkutsk vertreten. Für dieses Jahrsind eine weitere Aufstockung der Mitarbeiter sowie eine zusätz-liche Geschäftsstelle in Novosibirsk anvisiert.

CADFEM ist in Indien schon seit März 2007 in Hyderabad vertreten.Im letzten Jahr erfolgten zwei weitere Unternehmensgründungenin Pune. Insgesamt werden im Jahr 2011 knapp 20 Mitarbeiter unterdem Dach der CADFEM International in Indien tätig sein, unteranderem im Software-Vertrieb und mit entsprechendem Seminar-und Consulting-Angebot. Außerdem werden Outsourcing-Tätig-keiten für CADFEM und deren Kunden übernommen.

Mitte 2010 wurde die CADFEM US, Inc. in Greenville, SouthCarolina, gegründet. Sie ist im Partnerbüro der Clemson Univer-sity – International Center for Automotive Research (CU-ICAR)untergebracht und soll in den nächsten Jahren dort als CADFEM-Vertretung dienen.

Diese weltweit koordinierten Aktivitäten unter dem Dach vonCADFEM International werden ergänzt durch die Mitgliedschaftvon CADFEM-Unternehmen in der TechNet Alliance, deren Mit-glieder gemeinsam einen noch weiteren Aktionsradius sowohlbezüglich der regionalen Vertretung als auch der technischenKompetenz abdecken können. <<

CADFEM International:Ein Dach für weltweite Aktivitäten

Um gemeinsam besser agieren zu können, bildet die CADFEM International (CFI) das Dach, unter dem dieAktivitäten von CADFEM und deren Firmenbeteiligungen zusammengefasst sind. Damit wurde eine ArtHolding etabliert, mit der sich beispielsweise die einzelnen Entwicklungen zur Realisierung neuer Geschäfts-tätigkeiten besser koordinieren lassen. Außerdem können die internationalen Aktivitäten firmen-übergreifend abgestimmt und ausgebaut werden. Zukünftig könnte die CFI auch übergreifende Aufgaben imUnternehmensverbund übernehmen.

■ Günter Müller (GuM)

Das Nachfolgeprojekt ist abgeschlossen.Ich hatte mir viel Zeit gelassen. Nach Rück-meldungen von Kunden und Mitarbei-tern scheint das gut gelungen zu sein.Beim diesjährigen Kick-off der CADFEMGmbH war die Botschaft der neuen Ge-schäftsführung eindeutig: Sie hat die glei-chen Ziele wie der Vorgänger und Ge-sellschafter, sie wird aber auch neue We-ge suchen und nicht gemütlich den Fuß-stapfen des Vorgängers folgen.

Wie im letzten Infoplaner mitgeteilt, habe ich nicht vor, in Ruhestandzu gehen. Ich will weiterhin mit Rat und Tat der GmbH zur Verfügungstehen. Hauptsächlich werde ich mich aber in Zukunft dem Ausbauder internationalen Geschäfte, der Evaluierung neuer Geschäftsfel-der und der Weiterbildung in CAE widmen. Darüber werde ich ge-meinsam mit Gerhard Friederici aus dem Marketing der CADFEMGmbH in den nächsten Ausgaben berichten und dabei auch nachund nach die einzelnen Unternehmen vorstellen.

| Zusatzinformation |


ANSYS Simulationsanwendungen für die Entwicklung von Windkraftanlagen

Effizient in allen Teilen

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Themenschwerpunkt: Windkraft©

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Themenschwerpunkt: Windkraft


www.cadfem.de/wind

Vom Rotorblatt bis zur PfahlgründungÜberblick: Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen Seite 14 – 15

Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPostModellierung und Versagensanalysen von Rotorblättern aus Faserverbundwerkstoffen Seite 16 – 17

Turbulente WindparkplanungF2E – Fluid & Energy Engineering: Berechnung der dreidimensionalen turbulenten Windfelder Seite 18 – 20

Linearelastische Bruchmechanik mit ANSYS WorkbenchREpower: Abschätzung der Sprödbruchsicherheit bei Kaltklimabedingungen Seite 21

Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer AREVA Wind: Betriebsfestigkeitsanalyse von Gussbauteilen bei der Entwicklung der Multibrid M5000 Seite 22 – 23

Simulation mit SystemAbbildung und Optimierung des elektrischen Systems Seite 24 – 25

Stillerer OzeanMENCK: Maßnahmen gegen die Geräuschentwicklung bei der Pfahlgründung von Offshore-Anlagen Seite 26 – 27

Kranauslegung zum Aufbau von WindkrafträdernLiebherr: Realisierung neuer Krankonzepte für große Windkraftanlagen Seite 28 – 29

Windenergieanlagen zur Stromerzeu-gung können nicht nur in Deutschlandauf eine steile Karriere zurückblicken.In den letzten zwanzig Jahren stiegihre Anzahl von wenigen Hundert aufmehr als 20.000 Anlagen, die heute ei-ne installierte Leistung von mehr als25.000 Megawatt aufweisen können.

Gleichzeitig wurde die Leistung der einzel-nen Anlage um etwa das Zehnfache vonetwa 0,2 auf über 2 Megawatt erhöht.Mehr als 6 Prozent des Stromverbrauchswurden schon im Jahr 2007 in Deutschlanddurch Windenergieanlagen produziert. Bis2025 soll der Anteil der Windenergie ander Stromerzeugung auf 25 Prozent stei-gen, bezogen auf den heutigen Stromver-brauch. Damit ist eine Branche entstanden,die eine vielversprechende Zukunft bietetund schon heute rund 100.000 Menschenin Deutschland mit der Planung und demBau entsprechender Anlagen beschäftigt.

Jahrelang hat Deutschland im Bereich derWindenergie eine Vorreiterrolle gespielt,aber immer mehr Länder investieren in die-se umweltschonende Technologie. Im Jahr2009 wurden in China die meisten neuenWindenergieanlagen mit einer Gesamtlei-stung von mehr als 12.500 Megawatt auf-gestellt, gefolgt von den USA, Spanien,Deutschland, Indien, Italien und Frankreich.Aber nicht nur der Bau von immer mehrWindenergieanlagen, sondern auch derErsatz (Repowering) von älteren Anlagenmit geringeren Leistungen steht auf der Ta-gesordnung. So wurden im letzten Jahr inDeutschland 116 ältere Windenergieanla-

gen durch 80 neue ersetzt, wobei die Ge-samtleistung von knapp 56 auf über 180Megawatt erhöht wurde.

Ein weiteres sehr aktuelles Thema ist dieWindenergienutzung auf dem Meer (Off-shore). Hier wurden auch in den deutschenMeeresgebieten die ersten Anlagen – diein den meisten Fällen eine höhere Leistungerbringen als die Anlagen an Land – in Be-trieb genommen. In Deutschland sind biszum Jahr 2030 Offshore-Anlagen mit einerGesamtleistung von rund 25.000 Mega-watt geplant.

Mit Simulation effizient in allen Teilen

Die innovativen Unternehmen im hoch-dynamischen Markt der Windenergienut-zung setzen in der Produktentwicklungkonsequent auf leistungsfähige Werkzeugeund effiziente Methoden, um die Ausle-gung der Windenergieanlagen zu opti-mieren. Dank zahlreicher Kunden undProjekte aus dem Windenergiesektor ver-fügt CADFEM auch in diesem Bereich dererneuerbaren Energien über ein vielfälti-ges Know-how.

Die Effizienz praktisch aller Komponenteneiner Windkraftanlage kann auf dem Wegeder Simulation überprüft und optimiertwerden. Beispielhaft werden auf denfolgenden Seiten Kundenanwendungenund Berechnungsprojekte vorgestellt, diemit ANSYS Simulationslösungen realisiertwurden. Das Spektrum reicht von „ganzoben“, der Auslegung der Rotorblätter,über Fragen der Luftströmung und struk-turmechanischen und elektrischen Aspek-


Vom Rotorblatt bis zur PfahlgründungSimulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen

Themenschwerpunkt: Windkraft©

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ten bis hinunter zur Pfahlgründung imMeeresgrund.

Zur Modellierung mit Faserverbundwerk-stoffen bietet die Simulationslösung ANSYSComposite PrepPost dem Anwender einbreites Spektrum an leistungsfähigen Funk-tionen zur Analyse von Rotorblättern.Nordex Energy kann dadurch unter an-derem bei der strukturellen Auslegung imBereich des Postprocessings sehr schnell dieVersagenskriterien auswerten.

Bei knappen Platzverhältnissen für einenWindpark können komplexe Turbulenz-simulationen die Planungssicherheit er-höhen und Aufschluss darüber geben, obder Abstand zwischen den einzelnen Wind-energieanlagen groß genug ist. Dazu wur-den von der Firma „F2E – Fluid & EnergyEngineering“ die dreidimensionalen, tur-bulenten Windfelder im Nachlauf einerWindenergieanlage vom Typ ENERCON E-66 mit der Simulationssoftware ANSYSFLUENT berechnet und mit den Messdatenverglichen.

Auch bei REpower hat die numerische Si-mulation einen festen Platz in der Produkt-entwicklung. Unter anderem wurde – indiesem Fall – gemeinsam mit CADFEM einProjekt zur Bruchmechanik durchgeführt.Bestimmt wurden die Spannungsinten-sitätsfaktoren an einem Getriebebauteil,um die Sprödbruchsicherheit unter Kalt-klimabedingungen abschätzen zu kön-nen.

AREVA Wind hat bei der Windenergie-anlage Multibrid M5000 eine Kompakt-

bauweise realisiert und ein besonderesAugenmerk auf das Gewicht gerichtet. Mit einer Gondelmasse von 234 Tonnen istsie das Leichtgewicht unter den Offshore-Anlagen. Betriebsfestigkeitsberech-nungen – insbesondere der schwerenGussbauteile wie Rotornabe, Hohlwelleund Maschinenträger – mit ANSYSnCode DesignLife haben einen wesent-lichen Anteil an der Gewichtsreduktion.

Das elektrische System einer Windkraft-anlage beinhaltet alle Komponenten zurmechanisch-elektrischen Energiewandlungund stellt neben dem Rotor und dem me-chanischen Antriebstrang die dritte wesent-liche Funktionsgruppe einer Windenergie-anlage dar. Wir geben einen Überblick überdie ANSYS Simulationswerkzeuge, diedafür zur Verfügung stehen.

Im Bereich der Akustik-Analysen wird vonder Firma MENCK und CADFEM ein ge-meinsames Projekt realisiert, das dieGeräuschentwicklung bei der Pfahl-gründung von Offshore-Windenergie-anlage mit ANSYS numerisch simuliert. Beider Pfahlgründung werden zur Festigungdes Fundaments mächtige Stahlpfeiler mitHilfe von hydraulischen Rammhämmern inden Meeresboden gerammt. Die massiveLärmentwicklung dabei soll durch beglei-tende Lärmschutzmaßnahmen reduziertwerden.

Die Entwicklung immer leistungsstärkererund damit schwererer Windenergieanla-gen geht einher mit immer höherenTürmen, auf denen die Anlagen betriebenwerden. Dies führt zu erheblich gesteiger-

ten Anforderungen an die Montagekrane.Liebherr als führender Hersteller von Fahr-zeugkranen begegnet den Bedürfnissender Windindustrie mit besonderen Kran-konzepten und neuen Auslegersystemen,die unter anderem mit Hilfe der ANSYSSoftware optimiert werden. <<



Ansprechpartner

Nathalie Mattwich, CADFEM GmbH, Grafing

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-387

E-Mail [email protected]

Quellen und weitergehende

Informationen zum Thema Windenergie

www.wind-energie.de/de/statistiken/

www.erneuerbare-energien.de/inhalt/4642/

www.erneuerbare-energien.de/inhalt/44473/

www.erneuerbare-energien.de/inhalt/46826/4591/

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ANSYS FachseminarWindenergie

7. Juni 2011 in Hamburg

Informationen und Anmeldungwww.cadfem.de/fachseminar-windenergie

www.cadfem.de/wind

Die automatische Ermittlung des Material-bedarfs durch die Mess - und Sensorfunk-tionen erleichtert Wirtschaftlichkeitsbewer-tungen und fördert somit den effizientenEinsatz der Faserverbundwerkstoffe. Die inANSYS Composite PrepPost enthaltenenDrapierwerkzeuge dienen zur Abschätzungder Baubarkeit, um Anforderungen aus demProduktionsprozess in die Simulation ein-fließen zu lassen. Beim Postprocessing über-zeugt das Tool durch die konsequente Im-plementierung aller gängigen Versagens-kriterien, mit denen eine integrale oder

schichtweise Auswer-tung realisierbar ist.

Im Bereich der Wind-energie erleichterndie umfangreichenFunktionen eine effi-ziente Auslegung derRotorblätter, die un-ter anderem aus Fa-serverbundwerkstof-fen in Sandwich-Bau-weise gefertigt wer-den. Denn die aero-

dynamischen Freiformgeometrien erfor-dern einen komplexen Laminataufbau miteiner Vielzahl von Schichten und einer be-liebigen Faserorientierung.

PreprocessingMit Hilfe von Modellierungs-Plys – die imeinzelnen aus Fabrics, Stackups oder Sub-laminaten bestehen – können Rotorblatt-entwickler den Laminataufbau analog zumHerstellungsprozess definieren. Die demLagenaufbau zugrunde gelegten, orien-tierten Elementgruppen können sich dabei

überlappen und in unter-schiedlichen Richtungen auf-gelegt werden. Nach der Be-rechnung werden die Mo-dellierungs-Plys für die Ein-zelschichtbewertung wiederin einzelne Analyseschichtenaufgelöst.

Da der Lagenaufbau innerhalbANSYS Composite PrepPostüber so genannte „named se-lections“ mit den Geometrie-elementen der ANSYS Work-bench verknüpft wird, sind er-forderliche Änderungen derRotorblattgeometrie jederzeit

schnell und einfach realisierbar. Insbeson-dere durch die Nutzung von parametrischenModellen und der Script-Fähigkeit vonANSYS Composite PrepPost kann der Mo-dellierungsaufwand für die Rotorblätterdeutlich reduziert werden.

PostprocessingEntscheidend beim Postprocessing ist vorallem die vollständige Implementierungaller gängigen Versagenskriterien für faser-verstärkte Verbundwerkstoffe in Kombi-nation mit den entsprechenden Nachwei-sen für Sandwichstrukturen, die sowohlglobal als auch schichtweise untersuchtwerden können. Die „First-Ply-Failure“-Analyse bewertet hier ganz allgemein dieTragfähigkeit der Struktur hinsichtlich einesErstversagens im Bauteil.

ANSYS Composite PrepPost ermöglicht eineeffiziente Versagensanalyse unter Berück-sichtigung verschiedenster, auch kombi-nierter Versagenskriterien. In einem Kontur-plot können gleichzeitig der kritischste Re-servefaktor, der maßgebende Versagens-modus sowie die versagende Einzelschichtund der dazugehörende Lastfall dargestelltwerden.

Neuerungen in Version 13.0Eine der wichtigsten Neuerungen in derVersion ANSYS Composite PrepPost 13.0ist die Materialdatenbank, die es nun er-möglicht, die Materialdaten außerhalb desBerechnungsmodells zu speichern und zuverwalten. Mit einfachen Copy & Paste-Funktionalitäten lassen sich anschließendMaterialdaten aus der Datenbank impor-tieren und exportieren.

Außerdem stehen mit der neuen Versionerweiterte Funktionen zur Erstellung undModifizierung von Volumenmodellen zur


Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPostZur Modellierung mit Faserverbundwerkstoffen bietet die Simulationslösung ANSYS Composite PrepPostdem Anwender ein breites Spektrum an leistungsfähigen Funktionen. Dies gilt insbesondere für dieDefinition von Materialkennwerten, Faserorientierungen, Lagenaufbauten bis hin zur Ergebnisbewertung.Durch die assoziative Integration in die ANSYS Workbench und der daran angeschlossen CAD-Welt eröff-nen sich vielfältige Möglichkeiten zur Variantenberechnung beziehungsweise Optimierung.


Bild 1: Die Abstufung von Schichten ist beim Rotorblatt eine besondere Herausforderung.

Bild 2: Eine effiziente Versagens-Analyse berücksichtigt diverse Kriterien.

Verfügung. Mit Hilfe einer Extrudierfunk-tion und einer so genannten Leitgeome-trie können die gewünschten 3D-Modellejetzt noch einfacher generiert werden. DesWeiteren lassen sich jetzt Sandwichkernemit variabler Kerndicke einfach und rea-litätsnah definieren, indem man die Dickedes Kerns direkt über die importierte CAD-Geometrie festlegt.

Die Weiterentwick-lung der Work-bench-Integrationvon ANSYS Com-posite PrepPost13.0 ermöglicht es,eine Berechnungim Anschluss andie Bearbeitungvollständig aus derWorkbench-Pro-jektseite heraus zusteuern.

Mit der neu ge-schaffenen Schnitt-stelle zwischen Fiber-

Sim von VISTAGY – einer Engineering-Lö-sung, die sich sehr nah am Konstruktions-prozess orientiert – und der Simulations-Lösung ANSYS Composite PrepPost kön-nen alle relevanten Daten der Faserver-bundstruktur zu jedem Zeitpunkt innerhalbder Prozesskette zwischen Konstruktionund Simulation ausgetauscht werden, sodass enorme Synergieeffekte entstehen.

FazitAufgrund der praxisgerechten Funktio-nalität von ANSYS Composite PrepPost, derassoziativen Integration in ANSYS Work-bench sowie den Neuerungen in derVersion 13.0 lässt sich ein umfangreichesNutzenpotenzial bei der Auslegung vonBauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mitHilfe der FE-Simulation erschließen. <<



Ansprechpartner

Timo Frambach, CADFEM GmbH

Tel. +49 (0) 160-897 03 38


Weitere Information

www.cadfem.de/composites

■ Kostenfreies Webinar

Composite simulieren

mit ANSYS Composite PrepPost

Inhalte, Termine, Anmeldung

www.cadfem.de/webinare

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Revolution in der Simulation

„Die Entwicklung neuer immer größerer Rotorblätter mit immer komplexeren Struk-turen erfordert den Einsatz übersichtlicher und leicht zu handhabender Simula-tionsprogramme. Deshalb suchten wir eine Lösung, mit der es möglich ist, Detailsrealitätsnah abzubilden und ihre Belastung aus dem groben Gesamtmodell abzulei-ten. Ebenso sollten neue Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Festigkeitsbe-rechnung integrierbar sein.

Die Implementierung spezifischer Eigenarten von Faserverbundmaterialen wie derAnisotropie und dem lagenweisen Aufbau sowie die intuitive Umsetzung des Com-posite-Designprozesses in ANSYS Composite PrepPost stellen eine Revolution in derSimulation von Faserverbundmaterialien dar. Durch die leichte und schnelle Bedie-nung lassen sich zeitnah Ergebnisse zu komplexen Problemstellungen generieren.Die parametrische und netzunabhängige Modellierung ermöglicht eine effizienteOptimierung. Folglich können wir einen durchgehenden Designprozess vom Be-rechnungsmodell bis zur Zeichnung in der Fertigungshalle realisieren, bei dem Design-änderungen fehlerfrei umgesetzt werden.

Außerdem sehen wir in der guten und sehr konstruktiven Zusammenarbeit mit denEntwicklern die Grundlage für unseren gemeinsamen Erfolg. Dieser zeigt sich in einerErhöhung der Berechnungsgüte, was zu optimiertem Materialeinsatz und damit zuKostenoptimierung führt, sowie in Zeiteinsparungen im Designprozess durch schnel-lere Modellierung.“

Hendrik Mester, Rotorblattentwickler bei der REpower Systems AG


Erhebliche Fortschritte erzielen

„Eine unzureichende Unterstützungder Modellierung und Auswertungvon Composite-Strukturen mit der bis-her genutzten Simulationssoftwareführte bei uns zur Einführung vonANSYS Composite PrepPost. In Ver-bindung mit ANSYS Workbench undANSYS Classic können wir erheblicheFortschritte erzielen. Beispielsweisekönnen wir bei der strukturellen Aus-legung im Bereich des Postprocessingssehr schnell die Versagenskriterien aus-werten. Außerdem sollten sich in Zu-kunft durch die VISTAGY-FiberSIM-Schnittstelle spürbare Erleichterungenbeim Datenaustausch mit der Kon-struktion ergeben.“

Jan Wietholt, Entwicklungsingenieurbei der Nordex Energy GmbH


Bild 3: Die neue Schnittstelle zwischen FiberSim und ANSYS Composite PrepPost ermöglicht

enorme Synergieeffekte.



Für das Verständnis der Wechselwirkungenist es wichtig zu wissen, wie sich der di-rekte Nachlauf einer Windenergieanlageoder eines hohen Gebäudes auswirkt. Abergenau darüber ist bisher wenig bekannt.Während Messmasten immer nur wenigePunkte messen, ermöglichen computer-gestützte Strömungssimulationen (Com-putational Fluid Dynamics – CFD) die Be-rechnung dreidimensionaler, turbulenterWindfelder im Nachlauf von Windenergie-anlagen.

Die instationären Berechnungen und die da-raus generierten Daten und Animationenversetzen den Anwender in die Lage, dasWindfeld an jedem Punkt im Nachlauf zuanalysieren und geben Aufschluss darüber,wie die Wirbel miteinander verbunden sind.

Normen: Design und RealitätFür die Integrität der Konstruktion einerWindenergieanlage sind die Windbedin-gungen, die primär zu berücksichtigenden

Einflussfaktoren. Für die Auslegung vonWindenergieanlagen im Rahmen der Typen-prüfung beziehungsweise Zertifizierungwerden daher verschiedene Windzonendefiniert. Die Grundparameter für dieseWindzonen bilden mittlere Windgeschwin-digkeiten und Turbulenzklassen.

Die Parameter für die mittlere Windge-schwindigkeit und die Turbulenzklasse sindallerdings nur die Spitze des Eisberges derWindzonendefinition. Dahinter verbirgt sicheine Vielzahl weiterer Windparameter, umdie externen Bedingungen vollständig zudefinieren. Dies sind unter anderem dieSchräganströmung, die Windgeschwin-digkeitsverteilung, das Höhenprofil derWindgeschwindigkeit und eine Vielzahl vonExtremereignissen. Diese Daten sind nötig,um die Kräfte und Momente, die auf dieWindenergieanlage einwirken, bestimmenzu können und daraus die Belastung undErmüdung auf eine Betriebszeit von 20 Jah-ren hochzurechnen.

Windparks richtig ausgelegtDie Windparameter sind grundsätzlich fürden jeweiligen spezifischen Standort nach-zuweisen. In der Praxis steht die mittlereWindgeschwindigkeit und die Turbulenz-intensität auf Nabenhöhe am Standort imMittelpunkt. Für die Windparkkonfigura-tion ist zu beachten, dass in Windrichtungvorgelagerte Windenergieanlagen zwar dieWindgeschwindigkeit für die nachfolgen-den Windenergieanlagen erniedrigen, aberderen Turbulenzbelastung erhöhen. Bei zuenger Aufstellung werden irgendwann dieDesignlasten überschritten.

Eine bewährte, langjährig erprobte Metho-de und Grundlage für die heutige Geneh-migungspraxis basiert darauf, dass allestandortspezifischen Parameter, die Wind-parkkonfiguration und Materialkonstantenin eine virtuelle, so genannte „effektiveTurbulenzintensität“ überführt werden, diedurch die Turbulenzklasse der Windzoneabgedeckt sein muss. Dabei steigen dieeffektiven Turbulenzintensitäten bei sehrengen Abständen exponentiell an.

Wissenslücke KomplexitätDie berechneten hohen effektiven Turbu-lenzintensitäten bei engen Abständen bil-den ein Limit für viele aktuelle Planungen.Um einschätzen zu können, wie gut dieRealität abgebildet wird, ist mehr Informa-tion über das Windfeld im Nahbereich hin-ter einer WEA notwendig. Mit punktuellenMessungen allein ist dem komplexen drei-dimensionalen Windfeld hinter einer Wind-energieanlage jedoch nicht beizukommen.Ab einer kritischen Strömungsgeschwin-digkeit vollzieht sich der Wechsel von derso genannten laminaren zur turbulentenStrömung. Fast alle Strömungen von tech-nischem Interesse sind turbulent und diebodennahe Strömung der Atmosphäre istes auch, sobald mehr als ein laues Lüftchenweht. Theoretisch stellt dies kein Problemdar. Die physikalischen Gleichungen zur Be-schreibung der Vorgänge, die Navier-Stokes-

Turbulente Windparkplanung

Ist der Platz im Onshore-Windpark knapp, können komplexe Turbulenzsimulationen die Planungssicherheiterhöhen und vor kostspieligen Überraschungen schützen. Jeder Planer muss sich fragen, wie groß derAbstand zwischen den einzelnen Windenergieanlagen oder zu benachbarten Bauwerken sein muss.

Windfeld hinter einer Windenergieanlage vom Typ ENERCON E-66, Nabenhöhe 65 Meter. Die blaue Färbung kennzeichnet hohe

Windgeschwindigkeiten, weiß niedrige.



Gleichungen, sind bekannt. Sollen jedochalle turbulenten Vorgänge erfasst werden,muss das Berechnungsgitter auch die klein-sten Wirbelstrukturen auflösen. Grob ge-schätzt würde die Berechnung der Nachlauf-strömung einer Windenergieanlage mehrals 1017 Berechnungszellen erfordern – et-wa das Einmilliardenfache des zurzeit Mög-lichen.

In der Praxis formuliert man daher die Na-vier-Stokes-Gleichungen für die zeitlichenMittelwerte der Strömung. Die Fluktuatio-nen der Strömung werden ausgeblendetbzw. in zusätzliche mathematische Termeverschoben, die Reynolds-Spannungen.Man spricht dann von den Reynolds-ge-mittelten Navier-Stokes-Gleichungen (Rey-nolds Averaged Navier-Stokes RANS). DieReynolds-Spannungen stellen zusätzlicheUnbekannte dar, die über Turbulenzmodellemit bekannten Größen verknüpft werdenmüssen. Aber hierbei werden trotz auf-wändiger dreidimensionaler Simulation nurMittelwerte und keine Details über dieräumlichen Schwankungen der turbulen-ten Strömung geliefert. Deshalb ist dies keinWeg, um die Lasten auf eine Windenergie-anlage berechnen zu können.

LES-Simulation wird populärerEinen gangbaren Weg bieten dagegen dieLarge-Eddy-Simulationen (LES). Dabei wer-den die Schwankungen bis zu einer be-stimmten Wirbelgröße direkt berechnet undnur die kleineren Wirbel durch ein Turbu-lenzmodell abgebildet. Befördert wird dieseMethode durch die Tatsache, dass sich inder atmosphärischen Strömung die Ener-gie transportierenden Wirbel und dieEnergie vernichtenden Wirbel auf unter-schiedliche Größenbereiche aufteilen. Dieentscheidenden, Energie transportierendenWirbel können damit im Modell aufgelöstwerden. Der Hauptnachteil der Methodeliegt im größeren Rechenaufwand, der ge-genüber den RANS-Simulationen etwa umden Faktor 1000 steigt. Mit aktuellen Rech-nerleistungen rücken die LES-Simulationenjedoch von der Forschungs- auf die An-wendungsseite.

Im Jahr 2003 konnten Simulationsmodelleim Rahmen eines Forschungsprojektes desDIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) daserste Mal mit hoch aufgelösten Messdatenhinter einer Windenergieanlage vom Typ

ENERCON E-66 mit 65 Meter Nabenhöheverglichen werden [1]. Seitdem wurde dasModell immer weiter verbessert [2]. In denaktuellen Modellen wurden zwei Winden-ergieanlagen im Abstand von 4,25 Rotor-durchmessern sowie eine Einzelanlage des-selben Typs modelliert, wobei die Simula-tionssoftware FLUENT 12 der Firma ANSYSzum Einsatz kommt.

Das Modell bildet die komplette Geometrieder Windenergieanlagen einschließlich deraerodynamischen Blattprofile [3] ab. DerRotor wurde mit konstanter Drehzahl, pas-send zur betrachteten Windgeschwindig-keit, gedreht. Die Blätter sind ebenfalls dreh-bar, wurden aber im betrachteten Zeitraummit konstantem Pitchwinkel gefahren. Fürdie Anströmung wurde ein dreidimensio-nales, voll turbulentes Windfeld nach von-Karman verwendet, das die Anforderungender DIBt-Richtlinie an die Windfeldmodel-lierung für die Lastberechnung von Wind-energieanlagen erfüllt. An etwa 50.000Messpunkten im Nachlauf wurden jeweilsdie Windgeschwindigkeitskomponenten inden drei Achsenrichtungen aufgezeichnet.

Bild 1 gibt einen Eindruck von der Modell-geometrie. Eine Validierung der Simula-tionsergebnisse erfolgte mit den Messun-gen im Abstand des 2,06-fachen Rotor-durchmessers hinter der Windenergieanlageaus [1]. Dabei wurden die bei 10 m/s mitt-lerer Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhedurchgeführte Simulation mit Messergeb-nissen im Bereich 8 bis 12 m/s verglichen.

Bild 2 zeigt den Vergleich der ermitteltenWerte der Simulation über einen Zeitraum

von fünf Minuten mit den 10-Minuten-Mittelwerten aus den Messungen. Manerkennt, dass das Niveau und auch dieunsymmetrische Verteilung der Turbu-lenzintensität im Nachlauf voll getroffenwerden. Die Breite des Nachlaufs ist im Ver-gleich mit den Messungen etwas zu schmalausgefallen. Dazu ist anzumerken, dass dieMessungen naturgemäß einen wesentlichbreiteren Bereich von Strömungsbedin-gungen abdecken. Darüber hinaus ist nichtklar, inwieweit das verwendete Windmodellnach von-Karman die Realität der An-strömung trifft. Es ist offensichtlich, dassstärkere Richtungsschwankungen in derAnströmung auch zu einer größerenAufweitung des Nachlaufs führen.

Anwendung heute und morgenWie anfangs beschrieben wurden die mo-mentan verwendeten Modelle zur Bewer-tung von Parkkonfigurationen nur für denFernbereich der Nachlaufströmung ent-wickelt. Sie extrapolieren dessen Verhaltenin den Nahbereich mit der Folge, dass dieso ermittelten Lasten immer weiter und ex-ponentiell ansteigen. Die Simulationen deu-ten allerdings daraufhin, dass diesem An-stieg in der Realität Grenzen gesetzt sind.Wo diese tatsächlich liegen, ist für die im-mer weiter verdichteten Windparks inDeutschland eine wichtige Fragestellung,denn die Turbulenz wird zunehmend dasNadelöhr der Windparkplanung. Das Werk-zeug zum Lösen dieser Fragestellung lieferndie LES-Simulationen.

Angewendet werden diese Strömungs-simulationen bereits jetzt für Windenergie-anlagen in komplexem Gelände, wie im Ge-

Bild 1: Detailansicht der Modellgeometrie mit beispielhaften Pfadlinien der Strömung.

birge oder an Geländekanten, wo beson-dere Effekte auftreten. Es kommt zu Wirbel-ablösungen, Schräganströmungen und ver-zerrten Höhenprofilen der Windgeschwin-digkeit. Dadurch wird die Windenergie-anlage unter Umständen extrem belastet.Dreidimensionale Simulationen könnensolche Probleme schon während der Pla-

nungsphase aufdecken und Aussagen zuden auftretenden Belastungen treffen.

Hinweis: Dieser Beitrag ist eine gekürzte Version

eines Fachaufsatzes aus der Zeitschrift „Erneuer-

bare Energien“ in der Ausgabe September 2010.

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Bild 2: Lokale Turbulenzintensität auf Nabenhöhe 2,06 Rotordurchmesser hinter der Windenergieanlage. Vergleich von 10-Minu-ten-Mittelwerten aus Messungen bei 8 bis 12 m/s Anströmgeschwindigkeit (rote Punkte) mit 5-Minuten-Mittelwerten der Simula-tion bei 10 m/s Anströmgeschwindigkeit (blaue Linie).

Dr.-Ing. Thomas Hahm

F2E - Fluid & Energy Engineering GmbH &

Co. KG

Ingenieurbüro für Strömungsberechnung

und Energietechnik

F2E ist Kunde der ANSYS Germany GmbH,

dem ANSYS Competence Center CFD in

Deutschland, Österreich und der Schweiz

1] Deutsches Institut für Bautechnik DIBt;

Untersuchung des Nachlaufes von Wind-

energieanlagen und dessen Auswirkung auf

die Standsicherheit der benachbarten WEA

in Parkaufstellung; Forschungsvorhaben

P 32-5-3.78-1007/02

[2] Wussow, Hahm; LES-Simulation of a

turbulent and meandering wake; European

Wind Energy Conference and Exhibition

(EWEC), 20.–23. April 2010, Warschau

[3] Daten der Windenergieanlage ENERCON

E66, Nabenhöhe 65 m, mit freundlicher

Genehmigung der ENERCON GmbH, Aurich

| Autor✒

| Literatur❧



Die REpower Systems AG zählt zu denführenden Herstellern von Windenergie-anlagen. Neben der Entwicklung, Produk-tion und dem Vertrieb von technologischanspruchsvollen und zuverlässigen On-shore- und Offshore-Windenergieanlagenbietet REpower intelligente und professio-nelle Dienstleistungen wie umfassendeWartungs- und Servicepakete. Durch diePräsenz an den entscheidenden Stationender Wertschöpfungskette verfügt REpowerüber Gesamtkompetenz in der Wind-energie. So steht der Name REpower fürein erfolgreiches Unternehmen, das nichtnur ökologisch, sondern vor allem auchökonomisch überzeugt.

Die numerische Simulation hat bei REpowervon Anfang an einen festen Platz in derProduktentwicklung. Durchgeführt werdenSimulationen, u.a. mit ANSYS, vom eige-nen hochspezialisierten Team aus Berech-nungsingenieuren oder in Kooperation mitexternen Partnern wie CADFEM.

In einem solchen Projekt aus dem Bereichder Bruchmechanik sollten die Span-nungsintensitätsfaktoren an einem Ge-triebebauteil bestimmt werden. Für einenÜbergangsradius sollte eine bruchmecha-nische Bewertung zur Abschätzung derSprödbruchsicherheit unter Kaltklimabe-

dingungen durchgeführt werden. Als Riss-geometrie wurde ein halbelliptischer Ober-flächenriss angenommen (Bild 1).

In der Literatur sind dafür analytischeLösungen zu finden. Die begrenzte Geo-metrievielfalt, für die analytische Lösungenverfügbar sind, mag noch ein hinnehm-barer Nachteil sein, jedoch liefern dieanalytischen Modelle oft nur Ergebnissefür KI Mode I-Belastungen. Eine Vernach-lässigung von KII und KIII kann allerdingsleicht zu einer signifikanten Fehlbewertungeines Anrisses führen.

ANSYS stellt unter anderem auch eineReihe von Werkzeugen zur Bestimmungvon bruchmechanischen Kennwerten zurVerfügung. In der Version ANSYS 12 wurdeein neues Verfahren integriert, mit dem dieBestimmung bruchmechanischer Kenn-werte in Verbindung mit der ANSYS Work-bench-Umgebung sehr komfortabel mög-lich ist.

Im vorliegenden Fall wurde zunächst dasBauteil ohne Riss berechnet. Unter An-nahme eines kleinen Risses wurde in einemzweiten Schritt der hoch beanspruchte Be-reich der Übergangsrundung in einem Sub-modell mit Anriss untersucht. (Bild 2) DieGeometrie des Submodells wurde dabei

parametrisch aufgebaut, so dass leichtunterschiedliche Rissgrößen und Risslagenuntersucht werden konnten.

Als Ergebnis wurden die Verläufe der Span-nungs-Intensitätsfaktoren KI, KII und KIIIausgegeben.

Da für die beschrieben Problemstellung kei-ne analytischen Ansätze für die Mode IIund III-Belastung verfügbar sind, konntendurch die FEM-Simulation mit ANSYS po-tenzielle Quellen für eine Fehlbewertungdes Anrisses umgangen werden.

Dabei zeigte die FEM-Simulation, dass dieSpannungsintensitäten aller Moden in glei-cher Größenordnung liegen (Bild 3). Derangesetzte Riss konnte damit in seiner Wir-kung richtig eingeschätzt werden. <<

Linearelastische Bruchmechanikmit ANSYS WorkbenchIm Rahmen der Risikobewertung von Getriebebauteilen unter Kaltklimaeinsatz hat die REpower Systems AGCADFEM damit beauftragt, die Spannungsintensitätsfaktoren zur Beurteilung der Sicherheit gegen Spröd-bruch auf dem Wege der FEM-Simulation mit ANSYS Workbench zu ermitteln. Im Vergleich zu der konven-tionellen analytischen Vorgehensweise konnten damit potenzielle Fehlerquellen für eine Fehlbewertungvermieden werden.

Autor und Ansprechpartner

Klaus Graf, CADFEM GmbH, Grafing

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-941


Weitere Information

www.repower.de

| Autor✒

| Informationi

Bild 1: Halbelliptischer Oberflächenanriss Bild 2: Spannungsfeld um den modellierten Riss Bild 3: Verlauf der Spannungsintensitätsfaktoren entlang der

Rissfront

Hauptsächlicher Vorteil einer leichten undkompakten Bauweise sind deutlich verein-fachte Transport- und Hebeprozesse, diefür eine schnelle Errichtung der Wind-energieanlage auf See essentiell sind. Diekomplett ausgestattete Gondel wird ineinem Hub auf den Turmkopf gehoben.Darüber hinaus lässt sich mit einem gerin-

geren Gondel- und Rotorgewicht die Grün-dungsstruktur wirtschaftlicher herstellen.Insbesondere die schweren GussbauteileRotornabe, Hohlwelle und Maschinenträ-ger werden mit ANSYS nCode DesignLifeoptimiert.

BerechnungsteamEs lohnt sich also, dass Gewicht der Anla-ge zu reduzieren. Eine eigene Lastabtei-lung ist bei AREVA Wind daher aus-schließlich damit beschäftigt, die vielfälti-gen Einwirkungen auf die Offshore-Wind-energieanlage genau zu ermitteln. Die Fini-te-Elemente-Berechnungsgruppe optimiertdie Bauteile und legt sie für eine Lebens-dauer von 20 Jahren aus. Aufgrund derkomplexen Einwirkungen aus Wind, Eigen-gewicht und Massenträgheitskräften, diezu Schwingspielzahlen von bis zu 109 füh-ren, wird die Betriebsfestigkeit zum Schlüs-selfaktor für die wirtschaftliche Auslegungder Anlagenkomponenten. Nicht umsonstspricht Erich Hau, Autor des Standard-werkes „Windkraftanlagen“, davon, dassWindkraftanlagen die perfekten „Material-ermüdungsmaschinen“ sind. Ohne die ra-sante Entwicklung von leistungsfähigerSoftware, die mit der steigenden Rechner-leistung einhergeht, wäre eine Auslegungauf Betriebsfestigkeit schwer möglich.

Ebenfalls rasant erfolgte der Aufbau derBerechnungsgruppe bei AREVA Wind. Innur zwei Jahren wurde das nötige Know-how zur Berechnung dieser komplexenBauteile erworben. Dank der leistungs-fähigen Software und der kompetentenHilfestellung durch den CADFEM-Supportist AREVA Wind gut aufgestellt, zum ei-nen um das Tagesgeschäft zu bewerkstel-ligen und zum anderen um Neuentwick-lungen sicher und kostengünstig durch-zuführen.

Aufwändige Testphase Bevor die Entscheidung zum Einsatz vonANSYS nCode DesignLife gefällt wurde,sind Vergleichsberechnungen mit ver-schiedenen Softwarelösungen durchge-führt worden. Dabei ergaben sich für dieermittelten Schädigungen der Bauteiledurchaus vergleichbare Ergebnisse. Jedochhatte die Bearbeitung mit ANSYS nCodeDesignLife entscheidende Vorteile ge-genüber vergleichbaren Programmen.

Durch die Integration in ANSYS Work-bench zählen dazu die intuitive Oberflächeund Programmstruktur, die die Arbeit er-leichtern, zum einen durch ihre Über-sichtlichkeit und zum anderen durch eineklare Trennung der Berechnungsschritte.Das aus der Literatur bekannte Ablauf-schema mittels Flussdiagramm ist nahezueins zu eins umgesetzt worden. Die Datenkönnen aus ANSYS Workbench in ANSYSnCode DesignLife sehr einfach übertragenwerden. Dabei lassen sich aus der ANSYS-Ergebnisdatei der Spannungstensor unddie Geometrie problemlos auslesen.

Leistungsstarke Tools Für die Bauteilauslegung werden mehrerehundert Lastzeitreihen ermittelt, deren Ur-sache sowohl aus deterministischen, als


Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer

Im „Silicon Valley“ der Offshore-Windindustrie in Bremerhaven sitzt einer der führenden Windenergie-anlagenhersteller der Offshore-Multimegawattklasse: AREVA Wind. Mit der richtungweisenden Kompakt-bauweise ist die Windenergieanlage Multibrid M5000 speziell auf die Bedingungen auf hoher See zuge-schnitten. Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Anlage auf das Gewicht gerichtet. Miteiner Gondelmasse von 234 Tonnen ist sie das Leichtgewicht unter den Offshore-Anlagen, wobei Betriebs-festigkeitsberechnungen mit ANSYS nCode DesignLife einen wesentlichen Anteil an der Gewichtsreduktionhaben.


Bild 1: Multibrid M5000 – Erste Offshore-Windenergieanlage

in der deutschen Nordsee

Bild 2: Ergebnisimport eines Einheitslastfalls

auch stochastischen Einwirkungen resul-tiert. Die Verarbeitung in ANSYS nCodeDesignLife erfolgt für die mehrere HundertLastzeitreihen mit jeweils einer Dauer von 600 Sekunden bei einer Abtastrate von20 Hz. Die Zeitreihen werden in das pro-gramminterne Lastzeitreihenformat um-gewandelt und anschließend lassen sichdie Lastzeitreihen – unter Berücksichtigungder Häufigkeit ihres Auftretens – in ein„Lastkollektiv“ zusammenfassen. Hierbei

sind mehrkanalig synchron aufgezeichne-te nichtproportionale Lastabläufe verarbeit-bar. Zur Verkürzung der Rechenzeit kön-nen in einem ersten Berechnungsschritt dieLastzeitreihen eingekürzt werden, wobeikleine Schwingungen und Zeitabschnitte,die kaum zur Schädigung beitragen, her-ausgefiltert werden. Mit diesen einge-kürzten Lastzeitreihen werden die Hot-Spots ermittelt. Eine Aussage über die Schä-digung erfolgt danach über einen zweitenBerechnungsschritt, in dem die ungekürz-ten Lastzeitreihen verwendet werden. Die-ses Verfahren lässt sich auch für mehrka-nalige, nicht synchron berechnete Last-zeitreihen verwenden.

Ferner erlaubt das Programm die Mittel-spannungskorrektur nach der FKM-Richt-linie und die Anpassung der Mittelspan-nungsempfindlichkeit.

Über den Proportionalitätsfaktor wirdabgeschätzt, ob eine mehrachsige Be-anspruchung vorliegt. Für den Fall dereinachsigen Beanspruchung erfolgt die Be-rechnung der Vergleichsspannung mit demVorzeichen der absolut größten Haupt-spannung. Die Berechnung der Vergleichs-spannung von multiaxialen Spannungs-zuständen wird mit dem Verfahren der kri-

tischen Schnittebene durchgeführt. Diemehrachsigen Beanspruchungen resultie-ren sowohl aus den geometrischen Ver-hältnissen (Kerben) des Bauteils, als auchdurch nichtproportionale Lastzeitreihen. Dadavon ausgegangen wird, dass sich ein Rissan der Oberfläche des Bauteils ausbildet,genügt eine FE-Berechnung der Ober-flächenknoten.

Über Rainflow-Zählung zur LebensdauerZur Schadensakkumulation werden dieSpannungszeitreihen zuvor per Rainflow-Zählung klassiert. Die Klasseneinteilung derZählung erfolgt mit den in der Praxis übli-chen Matrizen mit 64x64 Elementen. Fürdie Schädigungsberechnung wird die line-are Schadensakkumulation nach Palmgrenund Miner genutzt. Der Grundgedanke die-ser Methode ist, dass jede Schwingung eineSchädigung im Bauteil bewirkt. Aufsum-miert ergibt sich für eine Lebensdauer von20 Jahren ein Gesamtschädigung D, dienicht größer als eins werden darf.

FazitBedingt durch ihre große elastische Nach-giebigkeit sind Windenergieanlagen durchden böigen Wind und die rotierendenMassen großen dynamischen Einwirkun-gen ausgesetzt. Aufgrund der Größe derBauteile können aber keine Versuche amkompletten Bauteil durchgeführt werden.Maßgebend für die Dimensionierung derBauteile ist häufig die Auslegung aufBetriebsfestigkeit. Folglich wird eine Ab-schätzung der Betriebsfestigkeit auf Basis von Simulationen durchgeführt undbei AREVA Wind hierzu ANSYS nCodeDesignLife eingesetzt.

Nach einem Jahr mit positiven Erfahrun-gen bezüglich ANSYS nCode DesignLifezieht das Berechnungsteam folgendes Fazit:Die Software amortisiert sich schnell, dapotenzielle Anrissstellen korrekt vorherge-sagt werden, denn das Betriebsverhaltenan Prototypanlagen bestätigen die Rechen-ergebnisse. Außerdem konnte die Ent-wicklungskette CAD – FEM – Betriebsfes-tigkeit durch die Integration der Betriebs-festigkeit in die ANSYS Workbench ge-

schlossen werden. Aufwändige Daten-übergaben von Programm zu Programmgehören damit der Vergangenheit an.

Zukunftsweisende Projekte, beispielswei-se schwimmende Windenergieanlagen,können somit in kürzerer Zeit entwickeltund bewertet werden. <<



Autor

Peer Hasbach, AREVA Wind GmbH,

Maschinenbau


Ansprechpartner Betriebsfestigkeit

Rainer Rauch, CADFEM GmbH, Stuttgart

Tel. +49 (0) 711-99 07 45 22


■ Kompakttraining

Betriebsfestigkeitsanalyse

mit ANSYS nCode DesignLife

Inhalte, Termine, Anmeldung

www.cadfem.de/kompakttraining

| Autor und Ansprechpartner✒


Bild 5: Berechnete Lebensdauer des MaschinengehäusesBild 3: Hunderte Lastzeitreihen werden verarbeitet Bild 4: Darstellung der Wöhlerlinie

Die wichtigste Komponente innerhalb dergesamten Wirkungskette des elektrischenSystems ist der Generator, der die Energieerzeugt. Mit den Komponenten zur Ener-gieumformung (Umrichter, Transformato-ren, Kondensatoren, Drosselspulen) undzur Energieweiterleitung (Kabel, Freilei-tungen) bildet er den elektrischen Teil einerWindenergieanlage.

Die große Herausforderung des Entwick-lungsingenieurs besteht darin, die einzel-nen Komponenten, die zudem meist vonunterschiedlichen Herstellern stammen,akkurat aufeinander abzustimmen und zueinem effizienten Gesamtsystem zusam-menzufügen.

SystemsimulationUm komplexe heterogene Systeme, die mitdem Anspruch höchster Effizienz entwickeltwerden, überhaupt beherrschbar zu ma-chen, führt kaum noch ein Weg an hoch-modernen Simulationswerkzeugen vorbei.ANSYS stellt für Entwicklungsingenieure,die sich mit derartigen Systemen beschäf-tigen, ein Set an spezifischen Lösungen be-reit. Herzstück ist dabei das ProgrammSimplorer, der Systemsimulator von ANSYS.Mit Simplorer wird ein komplexes Systemzunächst komplett aus analytischen Mo-dellen aufgebaut. Darauf aufsetzend kön-nen alle Komponenten anhand detaillier-ter FEM-Modelle mit den verschiedenenANSYS Produkten analysiert, optimiert undmit den entsprechenden Eigenschaften inSimplorer und damit in das Gesamtsystemeingebunden werden.

Neben der Zusammenführung der Kompo-nenten gibt es eine Vielzahl weiterer, fürdie Entwicklung elektrischer Systeme rele-vanter Anwendungen, die aufgrund ihrerKomplexität ebenfalls praktisch nur nochper Simulation zu bewältigen sind. Dazugehören die Gestaltung der Netzankopp-lung, die Einbindung der Leistungsrege-lung gemäß vorhandener Drehzahlkennli-

nien unter Berücksichtigung der zulässigenLeistungs- und Spannungsschwankungenoder auch die Unterdrückung von Ober-wellen. Eine Prüfung kritischer Betriebszu-stände wie ein generatornaher oder -fernerKurzschluss, zulässige thermische Bela-stungen oder die Auslegung von Netzengegen Kurzschlusswirkungen setzen gleich-falls spezifische Simulationstools voraus.

Für die Analyse der elektrischen Kompo-nenten von Windenergieanlagen kommenneben Simplorer insbesondere folgendeLösungen zum Einsatz:

• Maxwell 2D und Maxwell 3D: FE-Simulation des Generators

• RMxprt: Analytische Generatorbe-rechnung und Erzeugung eines inMaxwell direkt simulationsfähigenGenerator-Designs (2D und 3D)

• Q3D- Extractor: Analyse parasitärerEinflüsse in und zwischen Kabeln

Analyse von System und KomponentenEin – zusätzlicher – Mehrwert dieser Toolsliegt darin, dass sie neben der StandaloneNutzung auch nahtlos mit den struktur-

mechanischen ANSYS Simulationswerk-zeugen gekoppelt werden können.

Beispiele: Die Analyse der thermischen Be-lastung der verschiedenen Elemente deselektrischen Netzes erfolgt durch das un-mittelbare Zusammenspiel der FEM-Simu-lation in Maxwell 3D mit ANSYS Mechani-cal. Genauso ist die Rückkopplung der tem-peraturabhängigen elektrischen Parame-ter nach Maxwell möglich. Die sich darausergebenden Verformungen sind wiederummit dem Programmpaket ANSYS Mecha-nical simulierbar. Die Stromkräfte zwischenden Leiterschienen und die damit einher-gehende Verformungen können ebenfallsmit der Kombination Maxwell 3D undANSYS Mechanical ermittelt werden.

Anwendungsbeispiele aus der WindenergieGenerator:In Windenergieanlagen werden verschie-dene Generatorarten eingesetzt. Üblichsind Asynchrongeneratoren mit Kurz-schlussläufer, doppeltgespeiste Asynchron-generatoren, Synchrongeneratoren mitelektrischer Erregung und Synchrongene-ratoren mit Permanentmagneterregung.

Die Leistungsfähigkeit all dieser Generato-ren kann unterschiedlich analysiert und op-timiert werden:

1.) Mit dem Schaltungssimulator Simplorer: Das Generatormodell wird als reineselektrisches Ersatzschaltbild simuliert,ohne geometriebezogene mechani-sche und elektrische Differenzialglei-chungen.

2.) Mit dem Analytik-Tool RMxprt:Hier wird das Generatormodell zu-nächst mit Geometrie- und Material-daten in RMxprt eingegeben undanschließend als parametrisiertes


Abbildung des gesamten Energienetzes einer Windenergieanlage mit ANSYS

Simulation mit SystemDas elektrische System einer Windkraftanlage beinhaltet alle Komponenten zur mechanisch-elektrischenEnergiewandlung. Sie stellt neben dem Rotor und dem mechanischen Antriebstrang die dritte wesentlicheFunktionsgruppe einer Windenergieanlage dar. ANSYS stellt auch dafür sehr effiziente Simulationswerkzeugezur Verfügung.


Bild 1: Der elektrische Teil einer Windenergieanlage

Ersatzschaltbild nach Simplorer ex-portiert.

3.) Mit dem FEM-Programm Maxwell 2Doder Maxwell 3D:Das Generatormodell kann aus RMxprt automatisch in Maxwell 2Doder 3D erzeugt werden. Auch vonhier ist der Export des Modells nachSimplorer möglich.

4.) Mit einer transienten Kopplung vonSimplorer mit Maxwell:Diese erlaubt u.a. die Berücksichtigungvon Wirbelströmen im Generator, diedurch die Schaltvorgänge im Umrich-ter hervorgerufen werden.

Umrichter:Sowohl die Wandlung von Dreh- in Gleich-strom (Gleichrichter) als auch von Gleich-in Drehstrom in definierter Frequenz(Wechselrichter) ist in Windenergieanlagenrelevant.

Die dabei gängigen leistungselektronischenHalbleiterschalter IGBT (Insulated GateBipolar Transistor), GTO (gate-turn-offThyristor) und Thyristoren sind in Simplorer

in unterschiedlichen Detallierungsgradenverfügbar.

In der einfachen Variante stellen dieseHalbleiterventile kennliniengesteuerte Schal-ter dar. Für genauere Untersuchungen desSchaltverhaltens bietet Simplorer detail-liertere Modelle. Spice-Modelle dieserHalbleiterventile sind direkt verwendbar.Das IGBT-Parametrisierungstool erlaubt,ausgehend vom Datenblatt des speziellenIGBT-Typs die Erzeugung des zugehörigenIGBT-Modells und dessen Anwendung inSimplorer.

Die Ansteuerung der Gleich- und Wechsel-richterschaltungen mit den Halbleiterven-tilen erfolgt in Simplorer über Zustands-graphen, die aus sogenannten Zuständen(in denen die Steuersignale der Ventile de-finiert werden) und den diese verbinden-den Transitionen (Bedingungen für die Än-derung der Steuersignale) bestehen.

Transformatoren:Simplorer ermöglicht die Simulation ver-schiedener Transformatormodelle als Er-

satzschaltbild. Detailliertere Untersuchun-gen und eine Kopplung mit Simplorer sindmit Maxwell 2D und 3D möglich.

Kabel:Mit dem ANSYS-Tool Q3D Extractor kannaus der 3D-Kabelgeometrie sehr schnell einparametrisiertes Ersatzschaltbild generiertwerden, welches nach Simplorer exportiertund dort weiter beschaltet werden kann.Der Vorteil einer solchen Vorgehensweisebesteht in der damit möglichen Analyse vonWanderwellen, Überspannungen und dendamit verbundenen parasitären Effekten.

Regler:Simplorer bietet die Möglichkeit, direkt aufdem Simulationssheet Regler abzubildenund diese mit der elektrischen Schaltungzu koppeln.

Zusammenfassend kann festgestellt wer-den, dass der Systemsimulator Simplorerin Verbindung mit den anderen ANSYSTools ANSYS RMxprt, Maxwell und Q3Dsehr gut für die Simulation eines Wind-energieanlagen-Netzes geeignet ist. Dabeibesteht der besondere Vorteil darin, dassbei Notwendigkeit an beliebigen Stelleneine sehr detaillierte Simulation durch Nut-zung der strukturmechanischen ANSYS Pro-grammpakete möglich ist und deren Ergeb-nisse in Simplorer integrierbar sind. <<




Dr.-Ing. Ulrich Bock, CADFEM GmbH Grafing

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-84


| Autor✒

Bild 2: Doppelt gespeister Asynchrongenerator mit Umrichter und Regelung in Simplorer

Bild 3: Simulation eines 3-Phasen Kabels in Q3D und Einbindung in Simplorer

Bild 4: Regelschema für einen doppeltgespeisten Generator

(Quelle: M. Geyler, P. Caselitz: Regelung von drehzahlvaria-

blen Windenergieanlagen at 12/2008)

Fundamental: Solide PfahlgründungFür die Verankerung neuer Offshore-Wind-energieanlagen werden mächtige Stahl-pfähle mit Hilfe von hydraulischen Ramm-hämmern in den Meeresboden gerammt.Mit ihrer langjährigen Erfahrung bei der

Entwicklung, Herstellung und Anwendungsolcher Spezialrammhämmer, die in Meeres-tiefen von 2.000 und mehr Metern einge-setzt werden, gehört die MENCK GmbHaus Kaltenkirchen in Schleswig-Holstein zuden weltweit führenden Anbietern indiesem Bereich.

Die hohe Lärmentwicklung, die mit demEinsatz einhergeht, ist für diese Brancheein noch nicht zufriedenstellend gelöstesProblem, weshalb die Entwicklung geeig-neter Lärmschutzsysteme hohe Prioritätgenießt. Ziel ist es, die hydroakustischenPhänomene, die durch eine Pfahlgründung


Vorhersage der hydro-akustischen Lärmentwicklung bei der Offshore-Pfahlgründung:

Stillerer Ozean

Das Rauschen der Wellen ist bei Weitem nicht das einzige Geräusch, das die Weltmeere beherrscht. Speziellunter der Wasseroberfläche sind die Ozeane an vielen Stellen einer großen Zahl an Lärmquellen ausgesetzt,die nur zum Teil natürlichen Ursprungs sind. Gerade der Umfang und das Ausmaß des Lärms, der vom Menschverursacht wird, beispielsweise durch Schiffsverkehr, Bohrungen, Sprengungen oder Sonargeräte, hat in denletzten Jahrzehnten massiv zugenommen. Auch die wachsende Zahl an Offshore-Windenergieanlagen trägtinsbesondere bei der Errichtung dazu bei.


auf hoher See ausgelöst werden, im Vor-feld zu ermitteln. Die gewonnenen Infor-mationen helfen dann bei der Auswahl undDurchführung von Lärmschutzmaßnahmenzur Erfüllung der strengen Auflagen hin-sichtlich der Lärmemissionen.

Numerische Simulation des SchallfeldesVor diesem Hintergrund ist ein gemeinsa-mes Projekt von MENCK und CADFEM ent-standen mit dem Ziel, den Schallerzeu-gungs- und Schallausbreitungsvorgang bei der Pfahlgründung mit ANSYS nume-risch zu simulieren. Ausgangspunkt dafürwar eine transiente strukturmechanischeAnalyse des Hammerschlags, um die me-chanischen Eigenschaften hochgradig be-lasteter Hammerkomponenten zu unter-suchen. Der Ansatz des Ingenieurteamswar, diese Simulationstechnik so zu erwei-tern, dass auch das Schallfeld aufgrund derPfahlvibration im Wasser berücksichtigtwird. Dabei wurden die in ANSYSMechanical verfügbaren AkustikelementeFLUID29 verwendet.

Die Simulation berücksichtigte Fallkörper,Schlaghaube, Follower, Pfahl, Meeresbodenund Wasser, wobei der akustisch relevan-te Wasserbereich im Nahfeld mittels Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) mit den struk-turmechanischen Elementen des Pfahls ge-koppelt wurde. Das Team gab die bekannteAnfangsgeschwindigkeit des Fallkörpersvor, wobei für alle anderen Komponenten

eine Ruhelage als Anfangsbedingung an-genommen wurde. Für die Akustik wurdeferner an den seitlichen Außenflächen desvernetzten Wassergebietes eine geeigne-te nicht-reflektierende Randbedingunggewählt, während die elastische Nach-giebigkeit des Meeresbodens über Feder-elemente am Pfahl abgebildet wurde.

Als Simulationsumgebung wurde ANSYSWorkbench genutzt, wobei APDL-Kom-mandoblöcke zur Beschreibung von FSI undder akustischen Parameter zum Einsatz

kamen. Auf diese Weise konnte dievollständige Zweiwegekopplung der Fluid-schwingung (Akustik) mit der Struktur-dynamik mittels ANSYS Mechanicalmodelliert werden, um einerseits den durchvibrierende Strukturen ausgelösten, ab-gestrahlten Schall zu erfassen und gleich-zeitig die zusätzliche Belastung der Struk-tur durch diese Druckschwankungen zuberücksichtigen [1]. Die Schallfeldlösungaus der FE-Simulation für die unmittelbareUmgebung des Pfahls wurde heran-gezogen, um auch den Schalldruck inweiterer Entfernung vorherzusagen. Diesgeschah mittels eines analytischen Schall-ausbreitungsmodells, das, gestützt aufVersuchsdaten, auf Basis der simuliertenNahfelddaten die Schallausbreitung in dasFernfeld als Funktion der Distanz, der

Wassertiefe und der Meeresgrundeigen-schaften beschreibt.

Die numerisch ermittelten Simulations-ergebnisse wurden anhand der Installationdes Monopfahls der FINO3 Windenergie-Forschungsplattform in der Nordsee vali-diert [2]. Der Vergleich des gemessenenund des berechneten Schalldrucks in einerEntfernung von 245 Metern vom Pfahlzeigte eine gute Korrelation der relevantenAmplitude. Da der ermittelte lokale Schall-druck im Nahfeld im Vergleich zum hydro-statischen Druck aufgrund der hohenPegelwerte relativ hoch ausfiel, sollten zurweiteren Steigerung der Genauigkeit derAnalyse die der linearen Akustik zugrun-deliegenden Annahmen (Schalldruck sehrklein gegenüber dem statischen Umge-bungsdruck) überprüft werden. Für dieseAufgabe könnte eine vollständige FSIAnalyse mittels Kopplung von ANSYSMechanical und ANSYS CFX ohne dietypischen Annahmen der linearen Akustikangewendet werden. <<



Dr.-Ing. Ulrich Steinhagen,

MENCK GmbH, Kaltenkirchen

Dr.-Ing. Marold Moosrainer,

CADFEM GmbH, Grafing

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Marold Moosrainer,


Tel. +49 (0) 80 92-70 05-44


Weitere Information

www.menck.com

[1] Moosrainer, M.: Analyzing Vibration

with Acoustic–Structural Coupling, ANSYS

Advantage, 2009, 3(2), pp. 40–42.

[2] Steinhagen, U.: Transient FE Simulation

of the Hydro-Acoustics during Pile Driving,

presented at the ANSYS Conference & 27th

CADFEM Users Meeting, Leipzig, Germany,

November 2009.

| Autoren✒

| Literatur❧

| Informationi

Akustik-Simulation und ANSYS

Seit kurzer Zeit haben CADFEM Kun-den beim Thema Akustiksimulationzusätzliche Optionen: Mit ACTRANder Firma FFT ist ein äußerst leistungs-fähiges Paket für die Vibroakustik unddie Aeroakustik im Portfolio und mitANSYS Acoustics Structures, dasgleichwohl auf ACTRAN basiert, stehtein Workbench Add-in zur Verfügung,der aufsetzend auf strukturmechani-sche ANSYS Berechnungen, schnellAussagen zu klassischen akustischenFragestellungen liefert.

www.cadfem.de/akustik


Axialsymmetrisches 2D Simulationsmodell

in ANSYS Workbench

Die Liebherr-Werk Ehingen GmbH wurdeim Jahr 1969 gegründet. Um die interna-tionale Position als führender Anbieter vonMobil- und Raupenkranen zu festigen undweiter auszubauen, wurde in den vergan-genen Jahren eine umfangreiche Betriebs-erweiterung realisiert. Heute verfügt das

Liebherr-Werk in Ehingen über ein Ge-samtareal von 840.000 m2, davon sind200.000 m2 überdachte Fabrikationsfläche.Mit nahezu 3.000 Mitarbeitern werden hierdie Krane entwickelt, gefertigt und getestet.Damit ist das Liebherr-Werk in Ehingen diemodernste Fahrzeugkran-Fabrik der Welt.

Montage von Windenergieanlagen Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahr-hunderten bekannt. Während früher beiWindmühlen die mechanische Energie ge-nutzt wurde, steht heute die Erzeugungelektrischer Energie im Vordergrund. In im-mer größerer Zahl werden Windkraftanla-gen in allen Regionen der Welt aufgestellt.Es entstehen Windparks mit einer großenAnzahl von identischen Anlagen, zum Teilauch in schwer zugänglichem Gelände oder„Offshore“. Die Montage der verschie-densten Anlagetypen erfolgt dabei nahe-zu immer mit Mobil- oder Raupenkranen.Sie stellen die hohen Traglasten und die er-forderlichen Hubhöhen zur Verfügung. DieEntwicklung immer leistungsstärkerer unddamit schwererer Windenergieanlagen wirdvorangetrieben und gleichzeitig nimmt dieHöhe der Türme zu, auf denen die Anla-gen betrieben werden. Dies führt zu er-heblich gesteigerten Anforderungen an dieMontagekrane. Sowohl große Teleskop-krane als auch Gittermastkrane aller Hub-klassen werden heute für die unterschied-lichen Anlagentypen eingesetzt.

Diesen Entwicklungen begegnet Liebherrmit besonderen leistungsoptimierten Kran-konzepten und neuen Auslegersystemen,die auf die Bedürfnisse der Windindustrieausgelegt sind. Bei der Auswahl eines Kran-typs für die Montage einer spezifischenWindkraftanlage spielt neben der Traglastund der Hubhöhe auch der Aufwand undder Platzbedarf für den Auf- und Abbaubzw. das Umsetzen (in Windparks) desMontagekranes selbst eine entscheidendeRolle. Darauf ist bei der Konzeption von„Windkraftkranen“ besonders zu achtenund hat z.B. zur Entwicklung spezieller Un-terwagen mit Schmalspurraupe geführt.

Randbedingungen bei der KranauslegungDie Berechnung von Mobil- und Raupen-


Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern

Liebherr ist der führende Hersteller von Fahrzeugkranen. Die Palette der All-Terrain-Mobilkrane reicht vom 2-achsigen 35 t-Kran bis zum Schwerlastkran mit 1.200 t Traglast und 9-achsigem Fahrgestell. Die Gitter-mastkrane auf Mobil- oder Raupenfahrwerken erreichen Traglasten bis 3.000 t. Damit verfügt Liebherr übereine umfangreiche Palette an Kranen, die nahezu alle Bedürfnisse abdecken kann. Mit universellen Ausleger-systemen und umfangreicher Zusatzausrüstung sind sie auf den Baustellen in der ganzen Welt im Einsatz.


Bild 1: Raupenkran LR11350 bei der Montage einer 5 MW Anlage. Max. Last: Maschinenhaus 329t mit Hakenhöhe 129 m.

krane ist in diversen Normen (EN und ISO)geregelt. Darin sind sie als Montagekraneeingestuft, so dass die geforderten rein sta-tischen Nachweise die Verwendung vonschweißbaren hochfesten Feinkornbau-stählen bis zu einer Streckgrenze von 1.100N/mm2 erlauben. Nur durch die Verwen-dung dieser Stähle sind Mobil- und Rau-penkrane so leistungsfähig. Die Berech-

nung der Kranausleger muss bei denschlanken und langen Systemen der Kra-ne durch geometrisch nichtlineare Berech-nungen erfolgen. Die große Vielfalt derRüstvarianten erfordert dabei eine sehr ho-he Anzahl von Einzelberechnungen, umdie maximal mögliche Traglast für jede Aus-legerkonfiguration, jede Länge und jedeAusladung zu ermitteln. Eine spezielle Aus-legung für Windkraftkrane gibt es nicht,alle Krane unterliegen den gleichen Be-rechnungsgrundlagen und gelten für de-finierte Randbedingungen (z.B. zulässigeWindgeschwindigkeiten).

FEM-Einsatz bei LiebherrUmfangreiche Berechnungen sind seit Be-ginn der Mobil- und Raupenkranentwick-lung bei Liebherr ein unverzichtbarerBestandteil des Konstruktionsprozesses. Da-bei spielte auch die Anwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) schon frühzeitigeine entscheidende Rolle, denn nur mit ge-wichtsoptimierten Strukturen kann ein lei-stungsfähiger Kran entwickelt werden. Seit1989 ist ANSYS bei Liebherr das führendeFEM-Programm-System für die Dimensio-nierung und Optimierung der Bauteile.

FEM bei der KranauslegungAlle tragenden Bauteile werden mittels FEMberechnet und dabei optimiert, denn Leicht-bau ist gefragt, da zulässige Transportge-wichte, Abmessungen, Achslasten usw. undnatürlich optimale Traglasten strenge Rand-bedingungen setzen. Bei der Simulation er-

folgt eine differenzierte Modellierung fürdie unterschiedlichen Baugruppen desKrans. Für Ausleger von Teleskop- undGitterkranen werden zunächst Balken-modelle mit geometrisch nichtlinearem Ver-halten eingesetzt. Andere Baugruppen wieUnterwagen oder Drehbühne oder diverseEinzelbauteile oder -baugruppen werdenmit detaillierten Balken-, Schalen- und/oder

Solidelementmodellen untersucht. Hierkommt ausschließlich ANSYS Workbenchzum Einsatz, das bei Liebherr schon seitmehreren Jahren genutzt wird.

Die Schweißbaugruppen bestehen zumgroßen Teil aus Blechen unterschiedlicherDicken bei gleichzeitig relativ großenAbmessungen. Hier bietet sich besondersdie Nutzung von Schalenelementen an.Ausgehend vom eingesetzten CAD-SystemCoCreate Modeling (von PTC), für das eineDirektschnittstelle in ANSYS Workbenchverfügbar ist, werden alle Geometriedatenin ANSYS Workbench DesignModeler auf-bereitet. Insbesondere die Mittelflächen-generierung erfolgt bei Liebherr im DesignModeler. Bei der Nutzung von Schalen-elementen entstehen moderate Modell-größen, so dass auch größere Baugruppenzusammen berechnet werden können.Schalenelemente ermöglichen zudem inder Auslegungsphase eine schnelle Ände-rung der Blechdicken. Die Ermittlung derminimalen Blechdicken und die optimaleStufung der Bleche ist ein entscheidendesErgebnis der FE-Berechnung.

Viele dieser Baugruppen sind durch Bolzenoder andere Verbindungselemente mit-einander gekoppelt, oder berühren sich.Deshalb gehören Kontakte zu nahezujedem Modell. ANSYS Workbench ermög-licht dem Benutzer die Handhabung derKontakte mit geringem Aufwand und bie-tet zusätzlich leicht auswertbare Kontakt-

informationen. Spezielle Untersuchungenmit nichtlinearen Effekten wie große Verfor-mungen oder plastisches Material zählenebenso zu den täglich anfallenden Problem-stellungen im ANSYS-Workbench-Umfeld.

Damit große Modelle auch effektiv gelöstwerden können, wurde ein Cluster instal-liert, der unter Verwendung des Remote

Solver Managers (RSM) und der Parallel-solver-Möglichkeiten von ANSYS die Lö-sung im Vergleich zu den lokalen Work-stations deutlich beschleunigt. Das Systemarbeitet äußerst stabil und wird von denBenutzern sehr geschätzt.

Spezialfall BeulenDurch die Verwendung des hochfestenStahls und die hohe statische Ausnutzungder Bauteile sind diese häufig beulgefähr-det. Dies erfordert eine systematische Un-tersuchung der Bauteile auf Beulen. Häu-fig verwendet man hier die allseits bekannteMethode, erst eine lineare Beulrechnungdurchzuführen und dann die imperfekteStruktur, gebildet aus den linearen Beul-Modes einer nichtlinearen Berechnung mitgroßen Verformungen zu unterwerfen. Fürdiese Anwendung nutzt Liebherr einen vonCADFEM entwickelten Wizard, der aufWorkbench-Ebene diese Art der Berech-nung unterstützt und für den Benutzertransparent umsetzt. <<



Autor

Thomas Grathwohl

Liebherr-Werk Ehingen GmbH

www.liebherr.com

Ansprechpartner

Rainer Rauch, CADFEM GmbH, Stuttgart

Tel. +49 (0) 711-99 07 45 22


| Autor und Ansprechpartner✒

Bild 2: Verformungsuntersuchung an großer Unterwagen Baugruppe Bild 3: Beuluntersuchung am Teleskopausleger Bild 4: Raupenkranunterwagen

Am 31. August 2010 begann für drei Mit-arbeiter der CADFEM GmbH eine nicht ge-rade alltägliche Geschäftsreise: Zur Vertie-fung der jungen Kooperation von CADFEMmit dem chinesischen Unternehmen PERAreisten Rosi Jahn aus dem Consulting unddie Serviceleute Jens Otto und Jochen Hä-semeyer ins Reich der Mitte, um vor OrtKontakte mit den Kollegen von PERA zuknüpfen und zu intensivieren. PERA bietetmit seinen rund 400 Mitarbeitern ver-schiedene Ingenieurdienstleistungen an,darunter auch den Vertrieb von ANSYS-Produkten einschließlich Service und Con-sulting.

Die erste Station der Reise war Shanghai,die boomende Metropole am Huang-Po.Wider Erwarten, denn frühere Shanghai-Reisende hatten uns wenig Hoffnung ge-macht, begrüßte uns diese riesige Stadt mitschönstem Wetter: Sonnenschein, bayrisch-weiß-blauer Himmel, eine leichte Brise vomMeer und ca. 35°C. Als talentierter Frem-denführer entpuppte sich zudem unser

Freund Bao, derwährend seinesesocaet-Master-studiums einige Zeit in Grafing verbrachthatte, seit seinem Abschluss wieder inShanghai lebt und bei PERA arbeitet unduns freundlicherweise vor Ort betreute.

In den folgenden vier Tagen standen unteranderem Kurz-Schulungen der Mitarbeitervon PERA auf der Agenda. Speziell denneuen ANSYS Produkten wie ANSYSComposite PrepPost und ANSYS nCodeDesignLife galt das Interesse. Weitere Pro-grammpunkte bildeten gemeinsame Kun-denbesuche mit den Ingenieuren von PERA.Es wurden z.B. Aufzugbauer und Auto-mobilzulieferer besucht, um aktuelle Fra-ge- und Aufgabenstellungen zu diskutie-ren und zu überlegen, wie und welcheANSYS-Software dort effizient eingesetztwerden kann.

Da eine Reise um die halbe Welt nicht nuraus Arbeit bestehen sollte, durften wir die

tolle Möglichkeit wahrnehmen, einen Ab-stecher hinauf ins tibetische Hochland unddort nach Dawu zu machen, um das Wai-senhaus-Projekt der Tadra-Stiftung zu be-suchen, das von CADFEM und im Beson-deren von Firmengründer Günter Müllerunterstützt wird. Nachdem vor zwei Jah-ren die letzte Delegation von CADFEM-Mit-arbeitern das Kinderdorf besucht hatte,wollten wir sehen, was sich seither getanbzw. wie sich das Projekt entwickelt hat.Die Anreise nach Dawu erfolgte zunächstmit dem Flugzeug bis Chengdu, der Haupt-stadt der Provinz Sichuan. Von da aus ging

es weiter mit demGeländewagen nachDawu. Die reine Fahr-strecke sind etwasmehr als 500 km, aller-dings gehen davonnur die ersten 200 kmals funktionsfähigeStraßen im weiteren

Sinn durch. Auf der restlichen Strecke ließsich dann hautnah erleben, was man inChina unter einer Großbaustelle zu ver-stehen hat: 300 Kilometer Bauarbeiten amStück. Für die zähe Fahrt wurden wir durchden atemberaubenden Anblick vieler sehrschöner Täler und bemerkenswerter Pässeauf teilweise über 4.000 Höhenmetern ent-schädigt, so dass das langsame Tempo auchseine Vorteile hatte und die Fahrt an sichkurzweilig blieb.

Die Ankunft im Kinderdorf der Tadra-Stif-tung war schließlich – nach Übernachtun-gen, um einige lohnende Sehenswürdig-keiten entlang der Strecke zu besuchen –am 11. September. Der Empfang im Kin-derdorf war sehr herzlich, ein langes Spaliervon Kindern und Jugendlichen erwarteteuns mit Sprechchören, um uns zu begrüßenund Hände zu schütteln. Wir hatten bereitsvor der Abreise darum gebeten, keinen


Ins Reich der Mitte & aufs Dach der Welt

Die CADFEM Mitarbeiter Rosi Jahn, Jens Otto und Jochen Häsemeyer können für sich in Anspruch nehmen,die wohl außergewöhnlichste Geschäftsreise bei CADFEM der letzten Jahre unternommen zu haben. Nachder „Pflicht“ beim CADFEM-Partner PERA in Shanghai folgte als „Kür“ der Besuch der Kinder im CADFEM-Hausim tibetischen Hochland. Ein Reisebericht.

CADFEM Empfehlungen

großen Aufwand zu betreiben, insofern wol-len wir gar nicht daran denken, wie ein„großer Empfang“ ausgesehen hätte.

Nach einer kleinen Stärkung und einer kur-zen Orientierungsphase, wurden wir ge-fragt, ob wir uns an dem Abendprogrammder Kinder beteiligen wollen, was wir natür-lich gerne taten. Dieses bestand aus einemgemeinsamen Tanz auf dem Schulhof, wasfür uns zunächst natürlich etwas gewöh-nungsbedürftig war, aber schließlich großenSpaß gemacht hat, zumal keine strenge Dis-ziplin gefordert wurde, so dass man sich mitden Kindern nebenher unterhalten konnte.Wir stellten fest, daß die Kinder und Ju-gendlichen sehr gut englisch sprechen, dieLehrer dort machen eine sehr gute Arbeit.

Der nächste Tag war ein Sonntag. Die Kin-der hatten frei und auch wir nutzen den

Tag, um uns noch etwas umzusehen. Wirbesuchten die Stadt Dawu und weil dasWetter sehr schön und die umgebendenBerge sehr einladend waren, unternahmenwir auch eine kleine Bergwanderung. Auf-grund der Höhe – Dawu liegt auf etwa3.500 m – war die Runde, obwohl nichtbesonders ausgiebig, recht anstrengend.

Den Montagvormittag verbrachten wir da-mit, den Unterricht der Kinder zu besuchen.Der Unterricht für die Jüngeren besteht ausChinesisch, Tibetisch, Englisch, dazu Ma-thematik. Tiefen Eindruck hinterließ die Tat-sache, mit wie wenig Mitteln der Unterrichtdurchgeführt wird. Auf der anderen Seitesind aber Einsatzbereitschaft und Motiva-tion der Lehrer bewundernswert.

Um 10 Uhr wurde der Unterricht für einekleine Sonderpause unterbrochen, da es

an uns war, die aus Chengdu mitgebrach-ten Geschenke an die Kinder, Lehrer, so-wie die Hausmütter und Hausväter zu ver-teilen. Wir hatten nicht erwartet, so vielFreude in den Gesichtern der Kinder zu le-sen, obwohl wir „nur“ Zahnbürsten, Zahn-creme und Seife dabei hatten.

Leider rückte schon sehr bald der Momentnäher, die Rückreise anzutreten. Der Ab-schied fiel beiden Seiten ausgesprochenschwer und man ließ uns nicht ohne dasVersprechen gehen, bald wieder zu kom-men. Wir hoffen darauf.

Wir möchten uns an dieser Stelle rechtherzlich bei der Geschäftsleitung bedan-ken, die uns diese großartige Chance ge-geben hat.

Rosi Jahn, Jens Otto, Jochen Häsemeyer

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CADFEM Empfehlungen


Das Tadra-Projekt

Das Tadra-Projekt wurde am 9. De-zember 1995 durch Dr. L. PaldenTawo, seiner Frau und Herrn YesheGonpo Khaser aus der Schweizsowie einigen deutschen Freundenins Leben gerufen. Das Projekt hates sich zum Ziel gesetzt, die verhee-rende Lebenssituation der Waisen-und Straßenkinder in Osttibet sowiedas völlig unzulängliche Schul- undGesundheitswesen zu verbessern.

CADFEM und Günter Müllerunterstützen das Tadra-Projekt seit vielen Jahren.

www.tadra.de



ANSYS

ANSYS ist heute der größte unabhängige Hersteller von CAE-Technologie weltweit und bietet seinen Anwendern leistungs-fähige Werkzeuge zu praktisch jedem Bereich der Simulations-technik.

ANSYS WorkbenchDie Vision von ANSYS wurde durch die ANSYS Workbench-Um-gebung realisiert. Hierbei handelt es sich nicht einfach um ein Pro-dukt, sondern um eine vollständige CAE-Umgebung. Sie integriertProgramme von ANSYS unter einer einheitlichen Arbeitsoberflächeund öffnet die Ankopplung an Software anderer Anbieter.

Von CAD bis DatenmanagementVon der CAD-Anbindung über Modellerstellung, physikalische Be-rechnung, Auswertung, Parametermanagement, Optimierung undintelligentes Datenmanagement werden sämtliche Schritte im Si-mulationsprozess mit Hilfe der Workbench definiert und grafischanschaulich verknüpft. Die Datenverwaltung und das Schnittstel-lenmanagement zwischen den Programmen erfolgen automatisiertim Hintergrund und geben den Anwender dadurch mehr Zeit fürseine eigentlichen Aufgaben. Einmal definierte Simulationsprozes-se beliebiger Komplexität können jederzeit erneut aktiviert und mitminimalem Aufwand variiert werden. Natürlich ist ANSYS Work-bench 2.0 auch offen gegenüber Produkten von Drittanbietern.

Exklusiv in ANSYSWorkbench-Software und -Technologie sind ein Alleinstellungs-merkmal von ANSYS in der CAE-Industrie. Kein anderer Anbieterverfügt über einen vergleichbaren Integrationsgrad für derartumfassende und leistungsstarke Simulationswerkzeuge.

Permanente WeiterentwicklungANSYS reinvestiert einen großen Teil der Umsatzerlöse in die Weiter-entwicklung und den Ausbau der Software. Auf den Seiten 30 bis35 stellen wir Ihnen junge Mitglieder der ANSYS Produktfamilie vor.

CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEMCADFEM betreut seit über 25 Jahren die CAE-Technologie vonANSYS, Inc. im deutschsprachigen Raum und als ANSYS Compe-tence Center FEM Anwender aus Industrie und Forschung mit Soft-ware von ANSYS und komplementären Produkten. Seminare undAnwendersupport, Consulting und Entwicklung sind Dienstlei-stungen von CADFEM für eine optimale Nutzung von CAE.

Der Name ANSYS steht für unabhängige führendeSimulationstechnologie für praktisch alle Physiken:

• Große Anwendungsbreite- Implizite und explizite Strukturmechanik- Strömungsmechanik- Temperaturfelder- Elektromagnetik- Systemsimulation

• Umfassende Funktionalität innerhalb jeder Physik

• Multiphysik: Direkte Kopplungsmöglichkeiten

• Skalierbarkeit nach individuellen Anforderungen:Von konstruktionsnah bis High-End

• Offenheit und Flexibilität zur vertikalen Integrationund Kopplung mit anderen CAE-Systemen

• ANSYS EKM: Verwaltung und Archivierung vonSimulationsdaten und -prozessen

ANSYS


Ausführliche Informationen & ANSYS 13.0 Update-Seminare

www.cadfem.de/ansys13

Neu in ANSYS 13.0Geometriemodellierung • Verbesserungen im Umgang mit Flächenmodellen • Erweiterung von Schnittfunktionen

Vernetzung • Direktes Vernetzungsverfahren in Multi Body Parts • Verbesserungen bei der Vernetzung von Schalenmodellen

Strukturmechanik • Neue nichtlineare Materialmodelle • Verbesserte Kontakttechnologie (Mortar Contact) • Multiframe Restart in ANSYS Workbench • Load Transfer und Submodelling in ANSYS Workbench • Konvergenzverbesserung durch numerische Stabilisierung

in ANSYS Workbench • Virtual Crack Closure Technique für die Bruchmechanik

Strukturdynamik • Modalbasierte implizite Dynamik in ANSYS Workbench • Ausnutzung zyklischer Symmetrie in ANSYS Workbench • Linear Perturbation Method • Explizite Dynamik • Mehrkörperdynamik

Multiphysics• Verallgemeinerte und beschleunigte Last-Mapping

Routinen in ANSYS Workbench zur Kopplung von Simula-tionen, z.B. für Drücke, Temperaturen, Konvektionen

• Unterstützung nichtlinearer Materialmodelle der neuenMultifeld-Elemente (223/226/227), damit erweiterteEinsatzmöglichkeiten z.B. für Punktschweissen

• Neues hydrostatisches Fluidelement (241/242) zur Abbildung von Drucklasten (Contained Fluid)

• ANSYS Acoustic Structures (FFT ACTRAN)

Elektromechanik (EM Desktop)• ANSYS Workbench Integration (Datenstruktur) von

Maxwell, Q3D, RMxprt und Simplorer, damit system-weite Design Exploration (Optimierung) und Geometrie-anbindung über DesignModeler

• Übertragung von Volumen und Oberflächenkräften ausMaxwell nach ANSYS Structural

• Möglichkeit der bidirektionalen elektromagnetisch-thermischen Kopplung (Maxwell und Q3D)

• Maxwell Erweiterungen:- Multicore Support des Tau-Meshers- Beschleunigte Gleichungslösung (transiente Analysen)- Visualisierung von Kraftdichten- 3D Setup aus RMxprt

Systemsimulation• Simplorer Erweiterungen

- Unterstützte Co-Simulation von Simplorer und Rigid Body Dynamics (RBD) zur Abbildung von Regelungen mechanischer Systeme

- Erweiterte Reduced Order Model Anbindung (MOR, FTI)- Verbesserte Fitting Methoden der IGBT Parametrisierung- Export von VHD-AMS zu C++ zur Verwendung

im Simplorer- Neuer verbesserter Sparse Matrix Solver

Thermoelektrik• Neues geschichtetes Schalenelement zur thermisch-

mechanischen Modellierung von Composite Strukturen- Unterstützt homogene Strukturen und Schichtungen- Transfer von Wärmeströmen und Wärmequelldichten,

Konvektion und Strahlung

Parametrisierung und Optimierung • Integration von Microsoft EXCEL in ANSYS Workbench • Neue Möglichkeiten beim Design Of Experiments (DOE)

Scripting und Programmierung • Erweiterung von APDL durch APDL Math

High-Performance-Computing (HPC) • Möglichkeiten der Parallelisierung


ANSYS

ANSYS Thermisches Management

Thermisches Management

ANSYS verfügt über effiziente Speziallösungen für die Kühlungssimu-lation von Leiterplatten, elektronischen Komponenten und Geräten.Die Detailanalyse von Bauteilen im Chipgehäuse basierend auf ECAD-Daten, ermöglicht eine optimale thermische Konstruktion und dieAbleitung von Kompaktmodellen.

• ANSYS Icepak

ANSYS Strömungsmechanik

Strömung

ANSYS CFD ist nahtlos in ANSYS Workbench integriert, bietet jedochnach wie vor auch die wichtigsten Werkzeuge (ANSYS CFX, ANSYSFLUENT, etc.) als Einzellösungen. ANSYS CFD bietet einen enormenFunktionsumfang für anspruchsvolle Strömungssimulationen.

• ANSYS CFD

ANSYS Strukturmechanik

Konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Berechnung

ANSYS bietet speziell auf die Anforderungen von Anwendern aus derCAD-Konstruktion zugeschnittene Simulationswerkzeuge. Die wesent-lichen Unterschiede zu den Tools, die von CAD-Anbietern selbst offe-riert werden, sind: die Nutzung führender ANSYS Simulationstechno-logie, der damit verbundene nahtlose Übergang zum erweiterten ANSYSSimulationsspektrum und die gesicherte und professionelle Anwen-derunterstützung durch CADFEM.

• ANSYS DesignSpace• ANSYS Professional NLS

Strukturmechanik

ANSYS deckt die ganze Bandbreite der anspruchsvollen struktur-mechanischen FEM-Simulation ab, um so z.B. die Möglichkeiten neuerWerkstoffe optimal auszureizen oder Bauteileigenschaften, auch beidynamischer bzw. kurzzeitdynamischer Belastung im Detail zu optimieren.Darüber hinaus können Effekte aus der Akustik, der Thermodynamiksowie thermisch-elektrische Wechselwirkungen in die Simulationeinbezogen werden.

• ANSYS Structural• ANSYS Mechanical• ANSYS Explicit STR

Zusatzmodule für strukturmechanische Anwendungen

• Composites Engineering: ANSYS Composite PrepPost• Betriebsfestigkeit: ANSYS nCode DesignLife• Mehrkörpersimulation: ANSYS RigidDynamics• Multidisziplinäre Optimierung & Robustheitsbewertung: optiSLang• Robust Design: ANSYS DesignXplorer• Akustik: ANSYS Acoustics Structures

ANSYS-Software im Überblick

www.cadfem.de/ansys

ANSYS Multiphysik und gekoppelte Systeme

Multiphysik

Der Name ANSYS steht seit Jahren für technologisch führende Werk-zeuge für die Berechnung des Verhaltens von Bauteilen und Produk-ten, wenn Wechselwirkungen unterschiedlicher technischer Disziplinenberücksichtigt werden müssen. Mit diesem einen Programm und untereiner einheitlichen Oberfläche können statische, dynamische, thermi-sche, strömungsmechanische, akustische und elektromagnetische Effektemiteinander kombiniert werden.

• ANSYS Multiphysics

Elektromechanik

Im Bereich elektromagnetischer Feldanalysen bietet ANSYS umfassen-de Lösungen zur detaillierten Beschreibung von Verlusten, Impedan-zen, Kräften und Momenten. Die Simulationslösungen sind besondersetabliert für Anwendungen im Bereich der Energiewandler (z.B. Aktoren,Sensoren), der Energieübertragung (Transformatoren) und der Pro-zesssimulation produktionstechnischer Anlagen und Verfahren (z.B. in-duktives Härten, Beschichtungen). Zusammen mit den Expertenlösung(RMxprt und PExpert) eignet sich der Feldsimulator Maxwell besondersgut für die Auslegung von Elektrischen Maschinen und Elektromagne-ten. Kombiniert mit ANSYS Mechanical werden Thermodynamik undStrukturmechanik einbezogen.

• Maxwell• ANSYS Mechancial und Maxwell• Q3D• RMxprt und PExprt

Systemsimulation

Die numerische Beschreibung komplexer Zusammenhänge umfasstneben der genauen Betrachtung einzelner Komponenten zunehmendauch die Einbindung von Regel- und Steueralgorithmen. So werdenvariable Lastszenarien (Kennfelder) und interdisziplinäre Wechselwir-kungen genau abgebildet. Neben der zunehmenden geometrischenDetailtiefe (CAD-Anbindung) der Simulation bietet gerade die System-betrachtung die Möglichkeit, die Genauigkeit der numerischen Modelleweiter zu erhöhen.

Die Integration von Simplorer in ANSYS Workbench erweitert dieAnwendung in der Leistungselektronik und der Regelung elektrischerAntriebe um zusätzliche interdisziplinäre Kopplungen der Struktur-Magnetik-Fluidik-Thermodynamik. Damit ergeben sich unter anderemAnwendungen geregelter mechatronischer Systeme (z.B. Hybridantrieb).Die von CADFEM implementierte Methode der Ordnungsreduktion„MOR for ANSYS“ lieferte präzise und skalierbare FEM-basierte Modellefür die echtzeitnahe Systembetrachtung.

• Maxwell und Simplorer• ANSYS Mechanical, MOR for ANSYS und Simplorer

ANSYS


DeutschlandCADFEM GmbH

SoftwareDr.-Ing. Volker BäumerTel. +49 (0) 80 92-70 05-51E-Mail [email protected]

SeminareThomas NelsonTel. +49 (0) 80 92-70 05-47E-Mail [email protected]

Berechnung im AuftragDr.-Ing. Marold MoosrainerTel. +49 (0) 80 92-70 05-45E-Mail [email protected]

Ihre Ansprechpartner zu ANSYS Software und Dienstleistungen bei CADFEM:

SchweizCADFEM (Suisse) AG

SoftwareMarkus DutlyTel. +41 (0) 52-3 68 01-02E-Mail [email protected]

SeminareDr.-Ing. Davide ValtortaTel. +41 (0) 52-3 68 01-01E-Mail [email protected]

Berechnung im AuftragPhilipp HuberTel. +41 (0) 52-3 68 01-06E-Mail [email protected]

Oder CAE-Line(Freecall) 0800-CADFEM (alternativ: 0800-1-22 33 36)E-Mail [email protected]

HardwareManfred BayerlTel. +49 (0) 80 92-70 05-39E-Mail [email protected]

ÖsterreichCADFEM (Austria) GmbH

SoftwareAlexander DopfTel. +43 (0)1-5 87 70 73-14E-Mail [email protected]

SeminareDr.-Ing. Bernhard HößlTel. +43 (0)1-5 87 70 73-11E-Mail [email protected]

Berechnung im AuftragChristoph SchlegelTel. +43 (0)1-5 87 70 73-12E-Mail [email protected]

CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEM

ANSYS kennenlernen

Informationstage & Info-Webinare

Hier lernen Sie ANSYS kennen – und CADFEM gleichmit! Kompakt an einem Tag erhalten Interessierteeinen themenspezifischen Überblick über dietechnischen Möglichkeiten, die Vorgehensweiseund die Einsatzgebiete von ANSYS oder einemanderen Programm. Die Teilnahme ist kostenfrei,die Informationen sind technisch ausgerichtet undauf den Bedarf der Zielgruppe zugeschnitten. Einfester Bestandteil der Agenda ist die Diskussionindividueller Fragen

www.cadfem.de/infotagewww.cadfem.de/webinare

Hardware für ANSYS

Den passenden Rechner gleich dazu

Sie möchten aus Ihrer Berechnungssoftware durchdie richtige Hardwareplattform das Optimumherausholen? Auch hier sollten Sie mit CADFEMsprechen. CADFEM ist Partner der bekannten Hard-warefirmen, wie HP, Fujitsu oder Dell, und kann dieAnwender herstellerneutral beraten. Kunden pro-fitieren von unseren Erfahrungen bei Benchmarks.Auch die Preise der Rechner sind attraktiv, betriebs-bereite Konfiguration & Installation der bestelltenProgramme inklusive.

www.cadfem.de/hardware

ANSYS-Training

Für Einsteiger & Fortgeschrittene

Software Aus- und Weiterbildung: Das CADFEMSchulungsangebot erstreckt sich für alle Produktevon Einführungs- bis hin zu Vertiefungsveranstal-tungen für Experten. Referenten sind Mitarbeitervon CADFEM und externe Fachleute, die alle einelangjährige Erfahrung mit dem geschulten Pro-gramm und Anwendungsgebiet mitbringen.Seminare werden in den Geschäftsstellen vonCADFEM sowie auf Wunsch auch firmenspezifischbeim Kunden durchgeführt.

www.cadfem.de/seminare

ANSYS-Support

Kompetente Anwenderunterstützung

Wenn Sie mal nicht weiter wissen: Support überTelefon, Telefax, E-Mail, Internet, WebEx oder auchvor Ort erbringen erfahrene Berechnungsingenieure,die mit ANSYS und den anderen CADFEM Soft-warelösungen bestens vertraut sind. Der CADFEMSupport ist werktags von 8 – 18 Uhr besetzt. DieHotline-Mitarbeiter haben nicht nur engen Kontaktzu den Anwendern, sondern stehen auch in direk-ter Verbindung mit den Entwicklern von ANSYSund den anderen Partnern.

www.cadfem.de/support

ANSYS-Customization

Individuelle Programmanpassung

ANSYS kann um kundenindividuelle Lösungenerweitert werden. Auch diese programmiertechni-schen Anpassungen bietet CADFEM an. Bei denmeisten Projekten geht es um ANSYS Workbench.Deshalb wurde ein „Workbench CustomizationTeam“ gebildet. Aber auch die Anpassung andererProdukte wie z.B. ANSYS Classic oder LS-DYNA wirdvon den CADFEM Entwicklern abgedeckt.

www.cadfem.de/consulting

ANSYS bedarfsgerecht mieten

eCADFEM: FEM-Software „on Demand“

eCADFEM ist ein Service, der bedarfsgerecht undmit genauer Abrechnung – daher besonders wirt-schaftlich – die Nutzung vieler CADFEM Simula-tionsprogramme ermöglicht. Alternativ zum Lizenz-kauf bietet eCADFEM über Internet unmittelbarenZugriff auf ANSYS und weitere FEM-Lösungen. Ins-besondere wenn Programme nicht regelmäßig ge-nutzt werden oder vorhandene Lizenzen temporärerweitert werden müssen, gewährleistet eCADFEMein Höchstmaß an Flexibilität und Kostenkontrolle.

www.eCADFEM.com


ANSYS

Standalone oder in ANSYS integriert

Komplementäre CAE-Software zu ANSYS

Explizite Strukturmechanik

Optimierung/Robustheit

Materialdesign

Lackierprozesse

Biomechanik

Akustik

Differentialgleichungen

LS-DYNA mit LS-OPT und LS-PrePost stehen insbesondere für Simulationsanwendungenin den Bereichen Crash und Metallumformung.www.cadfem.de/ls-dyna

optiSLang ist eine Software für die parametrische Sensitivitätsanalyse, multidisziplinäreOptimierung, Zuverlässigkeits- und Robustheitsbewertung sowie für die Robust DesignOptimierung.www.dynardo.de

Digimat ist als eigenständiges virtuelles Materiallabor einsetzbar, als Materialschnittstellein strukturmechanischen Rechnungen mit ANSYS und LS-DYNA oder als vollständigesInterface zwischen Spritzgusssimulation und Strukturmechanik.www.cadfem.de/materialdesign

VirtualPaintShop (VPS), ursprünglich von CADFEM für die BMW Group entwickelt, ermöglichtdie rechnerische Simulation des gesamten Lackierprozesses von Fahrzeugkarosserien undanderer Strukturen.www.virtualpaintshop.com

Mit AnyBody kann die Mechanik des menschlichen Bewegungsapparates unter Berücksich-tigung der Muskeln analysiert werden. Damit sind z.B. Aussagen über Muskel- oderGelenkkräfte, die elastische Energie in Sehnen oder die antagonistische Muskelaktivitätmöglich. In der Kombination mit ANSYS können so auf Implantate und Prothesen wirkendeKräfte berechnet werden .www.cadfem.de/anybody

ACTRAN von der Firma FFT ist ein umfangreiches Softwarepaket für die Berechnung vonAkustik, Vibro-Akustik und Aero-Akustik.www.cadfem.de/actran

Diffpack, ein Produkt der inuTech GmbH, ist eine objektorientierte Klassenbibliothek fürdie Lösung von u.a. stochastischen Differentialgleichungen, die Implementierung vongekoppelten Systemen.www.diffpack.com

VirtualPaintShop®

Die FTI Forming Suite ist ein modulares Programmpaket zur Bewertung der Umformbar-keit von Blechbauteilen, zur Berechnung von Platinenzuschnitten, Platinenschachtelung,Schachtelung von Folgeverbundprozessen und Optimierung von Materialkosten. FTI FormingSuite Produkte sind standalone und CAD-integriert (u.a. CATIA) verfügbar.www.cadfem.de/fti

Im Geschäftsbereich esocaet bietet CADFEM über die softwarebezogenen Seminar-veranstaltungen hinaus weitere Kurse für die gezielte CAE-Weiterbildung an.www.esocaet.com/seminare

Komplementäres, software-neutrales Seminarprogramm

Blechumformung

ANSYS hat gemeinsam mit Free Field Tech-nologies (FFT) das neue ANSYS WorkbenchAdd-In ANSYS Acoustics Structures fertig-gestellt. Das Modul ermöglicht innerhalbANSYS Workbench eine Betrachtung derSchallabstrahlung von vibrierenden Kör-pern, die zuvor mit einer ANSYS Fre-quenzganganalyse (Harmonic Response)untersucht wurden.

Als Eingaben für die Akustik-Berechnungwerden lediglich die Eigenschaften und einFE-Netz für das umgebende Mediumbenötigt. Dieses kann ebenso wie die ent-sprechend einhüllende Geometrie in ge-wohnter ANSYS Umgebung erzeugt wer-den. Setup und Lastübertrag erfolgen au-tomatisch. Im Hintergrund startet ANSYSAcoustics Structures den effizienten Aku-stik-Löser ACTRAN von FFT. Das ebenfallsin der Workbench integrierte ACTRAN Post-Processing bietet akustikspezifische Aus-wertungen, z.B. von Schalldruck und Schall-leistung und deren dB-Pegeln – in 3D-Plots,Frequenzgangdiagrammen und integralenbzw. gemittelten Größen.

Ausgabewerte können direkt in den ANSYSParametermanager durchgereicht werden.Damit werden Varianten- und Parameter-studien in Geometrie, Netz und Rand-

bedingungen in der Akustikberechnungauf Knopfdruck verfügbar.

Einfacher EinstiegANSYS Acoustics Structures ermöglicht einenschnellen und unkomplizierten Einstieg indie Welt der Akustik – von der ersten Be-trachtung bis hin zu Optimierung mit ANSYSDesignXplorer oder optiPlug ohne die ge-wohnte Berechnungsumgebung zu verlas-sen. Über die weiterführenden Möglichkei-ten der Akustikberechnung mit ACTRAN be-richteten wir im letzten Infoplaner.

Nutzen Sie auch unser Know-how!CADFEM verfügt über langjährige Erfah-rung in der Akustik-Berechnung und stehtIhnen gerne mit Support, Schulung undPilotprojekten zur Seite.

Merkmale von ANSYS Acoustics Structures in Workbench:• Einheitliche Geometrie- und Netz-

vorbereitung, parametrisierbareInfrastruktur in ANSYS Workbench

• Direkter Transfer von Simulationser-gebnissen aus ANSYS (ab Professional)

• 3D-Akustik-Berechnung in das umgebende Medium (z.B. Luft)

• Vollautomatisierter Akustik-Setup und Lasttransfer

• Vorlagen für 3D- und Diagramm-Darstellung der Akustik-Ergebnisse

• Übergabe von Akustikgrößen als Parameter

• Parameterstudien und Anbindung an die Optimierung

Den richtigen Ton treffen mit ANSYS Acoustics Structures:

Akustik-Simulation in Workbench

Wer schwingende Strukturen mit Frequenzgang- bzw. harmonischerAnalyse untersucht, ist meist auch an deren abgestrahltem Schall interes-siert. Normen und Lastenheften geben immer öfter auch Obergrenzen fürden zulässigen Schalldruck- oder Schallleistungspegel vor. Mit dem neuenWorkbench Add-In ANSYS Acoustics Structures sind diese Werte in weni-gen Mausklicks zu berechnen.

ANSYS


Bild 1: Workflow für die Akustikberechnung mit ANSYS Acoustics Structures


Steffen Peters, CADFEM GmbH Grafing

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-30

E-Mail: [email protected]

www.cadfem.de/Akustik

■ Kostenfreies Webinar

Akustische Analysen mit

ANSYS Workbench und ACTRAN

Details, Termine, Anmeldung

www.cadfem.de/webinare

■ Seminare

Einführung in die Akustik-Simulation

mit ANSYS Acoustics Structures

und ACTRAN

Vertiefungsseminar

ACTRAN VibroAcoustics

Individuelle Seminare zu ACTRAN

AeroAcoustics stimmen wir gerne

mit Ihnen ab.

Details, Termine, Anmeldung

www.cadfem.de/Seminare/Akustik

| Veranstaltungshinweise!

| Informationi

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Die Rotordynamik ist ein spezialisierter Bereich der Maschinen-dynamik, der sich mit der Analyse rotierender Strukturen (Rotor)sowie deren Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung (Stator)befasst. Solche Strukturen befinden sich zum Beispiel in Turbo-maschinen, Pumpen, Rührwerken und Ventilatoren, aber auch inComputerfestplatten. Einen besonderen Schwerpunkt nimmt beider Rotordynamik die Berechnung des Systemverhaltens aufgrundeiner in jedem realen Rotorsystem vorhandenen Unwucht ein. Einesolche Unwucht entsteht durch einen nicht ideal statisch bzw.dynamisch ausgewuchteten Rotor, wodurch der Verlauf der Träg-heitsachse des Rotors nicht mehr mit der durch die Lagerung vor-gegebenen Drehachse übereinstimmt. Die Lagerung des Rotorsist ebenfalls nicht ideal starr, sondern weist immer eine gewisseNachgiebigkeit und eine gewisse Dämpfung auf, die oft von derRotordrehzahl abhängt und zu Instabilitäten führen kann.

Mathematische Grundlagen der Rotordynamik

Bewegungsgleichung des RotorsDie Bewegungsgleichung eines viskos gedämpften, diskretisier-ten, zeitinvarianten Schwingungssystems, das die Dynamik desRotors beschreibt, ist durch die Gleichung

gegeben. Hierin ist u der Verschiebungsvektor, der die Verschie-bungen und die Verdrehungen aller Knoten beinhaltet. Der zeit-veränderliche, generalisierte Kraftvektor f(t) enthält die an denjeweiligen Knoten angreifenden, zeitabhängigen Kräfte undMomente.

Die SystemmatrizenDie Massenmatrix M des Rotors setzt sich zusammen aus den Ele-mentmatrizen und den Einzelmassenmatrizen. Hierbei beinhaltendie Elementmassenmatrizen MB die kontinuierliche Verteilung der

Masse über dem jeweiligen Wellenabschnitt. Die diagonale Massen-matrix MS enthält die einzelnen Massen und Trägheitsmomenteder aufgesetzten Scheiben. Die Gesamtmassenmatrix M ist einepositiv definite Matrix mit drehzahlunabhängigen Elementen.

Die Matrix der geschwindigkeitsproportionalen Kräfte C setzt sichaus der Dämpfungsmatrix und der gyroskopischen Matrix zu-sammen:

Die gyroskopische Matrix G berücksichtigt die Kreiselwirkung derElemente. Diese Matrix ist antimetrisch und drehzahlabhängig.Die Hauptdiagonale ist unbesetzt:

Für ein viskos gedämpftes System wäre die Dämpfungsmatrix Deine symmetrische und positiv definite Matrix. Da der Rotor je-doch gelagert ist, kommen je nach Art der Lagerung zusätzlichenichtsymmetrische und drehzahlabhängige Dämpfungsterme hin-zu:

Die Matrix der verschiebungsproportionalen Kräfte K setzt sichzusammen aus der drehzahlunabhängigen Steifigkeitsmatrix KB

der Elemente, sowie der drehzahlabhängigen Spannungsverstei-fungsmatrix KS und der ebenfalls drehzahlabhängigen Lagerstei-figkeitsmatrix KL. Werden die Starrkörperbewegungen des Rotorsdurch geeignete Randbedingungen unterdrückt, so wird die Stei-figkeitsmatrix KB positiv definiert.

Das durch diese Systemmatrizen gegebene System wird also imallgemeinsten Fall beschrieben durch ein Differentialgleichungs-system 2. Ordnung mit unsymmetrischen, drehzahlabhängigenDämpfungs- und Steifigkeitsmatrizen. Die Lösung dieses Diffe-


ANSYS

Rotordynamische Analysen mit ANSYS:

Damit es rund läuftSchnell drehende Strukturen kommen in Turbinen, Pumpen und Ventilatoren, aber auch in völlig anderenProdukten vor. Sie weisen verschiedene Effekte auf, insbesondere Unwucht, die Auswirkungen auf dieEffizienz und die Stabilität des Gesamtsystems haben können. ANSYS Workbench bietet eine Vielzahl anMöglichkeiten, um unerwünschten Nebeneffekten der Rotordynamik frühzeitig gegenzusteuern.

Alle Bilder: Ventilatorenwerk Oelde

rentialgleichungssystems kann im Frequenzraum oder im Zeitbe-reich erfolgen.

Die homogene Lösung der Bewegungsgleichung – Stabilitätsanalyse – Campbell DiagrammDie homogene Differentialgleichung 2. Ordnung im Verschie-bungsraum

lässt sich mittels des Exponentialansatzes

lösen. Damit ergibt sich das allgemeine Eigenwertproblem im Ver-schiebungsraum

Darin sind die komplexen Eigenwerte und die dazu korres-pondierenden Eigenvektoren. Die Eigenvektoren können nach IhrerForm klassifiziert werden. Im Wesentlichen existieren Torsions-eigenformen und Biegeeigenformen. Bei rotierenden Systemenlassen sich die Biegeeigenformen weiter unterteilen, da sie einenDrehsinn aufweisen. Stimmt der Drehsinn mit dem Drehsinn desRotors überein, so spricht man von einem Forward Whirl (FW). Istder Drehsinn der Eigenform dem Drehsinn der Welle entgegen-gesetzt, so spricht man von einem Backward Whirl (BW). Stehtdas Modell still, so fallen die Frequenzen beider Eigenformen zu-sammen zu einer paarweisen Biegeeigenform. Die Eigenwerte sindbei unterkritisch gedämpften Systemen aufgebaut wie folgt:

Sowohl der Realteil als auch der Imaginärteil sind dabei Funk-tionen der Drehzahl . Der Imaginärteil entspricht der Eigen-frequenz des Rotors. Der Realteil stellt ein Maß für die Stabilitätder Eigenform dar, wobei hier lediglich das Vorzeichen relevantist. Beide Werte können in einem Diagramm als Funktion der Dreh-zahl dargestellt werden. Die Darstellung des Imaginärteiles überder Drehzahl wird als Campbell Diagramm bezeichnet, die Dar-stellung des Realteiles über der Drehzahl als Stabilitätsplot. ImCampbell Diagramm wird zusätzlich die Drehzahl selbst als Linieeingetragen. Der Schnittpunkt dieser Linie mit dem Imaginärteildes Eigenwertes bezeichnet die kritische Drehzahl, bei der der Ro-tor durch eine eventuelle Unwucht in dieser Eigenform angeregtwerden kann. Das Vorzeichen des Realteils des zugehörigen kom-plexen Eigenwertes erlaubt eine Aussage, ob die kritische Dreh-zahl stabil durchfahren werden kann oder nicht.

Bild 1: Campbell Diagramm eines flexibel gelagerten Rotors

Bild 2: Stabilitätsdiagramm eines flexibel gelagerten Rotors

Die inhomogene Lösung der Bewegungsgleichung im Fre-quenzraum – harmonische Berechnung – UnwuchtanalyseDie inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung im Frequenz-raum

lässt sich lösen durch den Exponentialansatz

Die partikuläre Lösung des DGL Systems liefert die komplexenFrequenzgänge der Schwingungsamplituden. Der harmonischeAnsatz liefert den stationären, also den zeitinvarianten Anteil derLösung. Daraus lassen sich z.B. die Resonanzüberhöhungen der

ANSYS


Schwingungsamplituden bei kritischen Drehzahlen bestimmenund sie daraus resultierenden Auflagerkräfte. Zu beachten ist hier-bei, dass die Rotordrehzahl R nicht unbedingt gleich der Anre-gungsfrequenz sein muss. Im Sonderfall der Unwuchtanregunggelten folgende Beziehungen:

Hierbei ist m die Unwuchtmasse und e der Abstand zur Drehachse.Hier ist die Frequenz der Anregung an die Drehzahl des Rotors ge-koppelt und die Anregungskraft ist proportional zum Quadrat derDrehzahl. Da dieser Sonderfall in der Praxis recht häufig auftritt,existiert in ANSYS das Kommando SYNCHRO, das diese Kopplungautomatisch vornimmt.

Die inhomogene Lösung der Bewegungsgleichung im Zeitbereich – transiente Berechnung – AnlaufverhaltenDie inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung lässt sich nichtnur im Frequenzraum, sondern auch im Zeitbereich lösen:

Die Anregungsfunktion kann dabei eine beliebige Funktion überder Zeit sein. Die Differentialgleichung muss daher schrittweise imZeitbereich durch Integration gelöst werden. Zum Einsatz kom-men hier implizite Zeitintegrationsverfahren wie das Newmark Be-ta Verfahren oder das HHT Verfahren. Die Lösung der DGL im Zeit-bereich bedeutet einen hohen numerischen Aufwand mit zum Teilbeachtlich großen Mengen an Ergebnisdaten. Durch diese Analy-se ist es jedoch möglich, auch den nicht stationären Anteil der Lö-sung zu ermitteln. Die bei den vorangestellten Lösungsverfahrennotwendigen Linearisierungen z.B. des Verhaltens der Auflagerentfallen hier und es können auch komplexere nichtlineareZusammenhänge abgebildet werden. Ein interessanter Sonderfallist hier die Anlaufanalyse eines Rotors im Zeitbereich. Auch hiersind Rotordrehzahl und Anregungsfrequenz gekoppelt und dieAnregungsfrequenz (Unwucht) verhält sich wieder proportionalzum Quadrat der Drehzahl. Das Ergebnis der transienten Analysekann in Form von Orbit Plots und Zeitverläufen von Amplitudensowie natürlich auch als Animation des Modells über der Zeit dar-gestellt werden.

Bild 3: Stabiler Orbit eines flexibel gelagerten Rotors

Bild 4: Instabiler Orbit eines flexibel gelagerten Rotors

Bild 5: Amplitudenverlauf im Zeitbereich einer transienten Rotorberechnung


ANSYS

Veranstaltungshinweise

■ Info-Webinar (kostenfrei)Berechnungsmöglichkeiten zur rotordynamischen Analyse in ANSYS• Modalanalyse • Campbell Diagramm und Stabilitätsdiagramm • Harmonische Analyse • Unwuchtanalyse • Transiente Berechnung • Hochlaufdiagramm • Berücksichtigung von Lagersteifigkeiten

■ Online-SeminarSimulation von Aufgabenstellungen aus der Rotordynamik• Grundlagen rotordynamischer Analysen

- Begriffe in der Rotordynamik - Stabilität - Orbit plots - Campbell Diagramm

• Statische rotordynamische Analysen • Modale rotordynamische Analysen • Harmonische rotordynamische Analysen • Transiente rotordynamische Analysen

Inhalte, Termine, Anmeldungwww.cadfem.de/rotordynamik


Diskretisierung des RotorsIn der klassischen Rotordynamik besteht der Rotor aus einer schlan-ken, flexiblen Welle mit darauf angeordneten starren Scheiben.Die Diskretisierung dieses Systems erfolgt durch Balkenelementefür die flexiblen Teile des Rotors und Massenpunkte für die nichtflexiblen Anteile. Solche Modelle sind einfach aufzubauen, jedochdurch den hohen erforderlichen Grad an Abstraktion begrenzt inihrer Aussagekraft. Abhilfe kann hier eine Diskretisierung des Ge-samtrotors durch Schalenelemente oder Solidelemente schaffen.Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass ein bereits vorhandenes CAD-

Modell des Rotors als Basis für das Finite-Elemente-Modell dienenkann. ANSYS stellt die erforderlichen Elemente mit den um diegyroskopischen Effekte erweiterten Elementansatzfunktionen zurVerfügung. Nachteilig wirkt sich hier allerdings oft die stark zu-nehmende Rechenzeit aus. Ein guter Kompromiss ist hier dasharmonische Plattenelement SOLID272. Mit diesem Element wirdlediglich ein ebener Querschnitt des Rotors vernetzt. ANSYS be-rechnet die Lösung in Umfangsrichtung durch eine FourierReihenentwicklung, deren Genauigkeit vom Benutzer individuellfestgelegt werden kann. Damit lassen sich auch Rotoren mit kom-plexen Querschnitten mit sehr guter Genauigkeit abbilden, ohnelange Rechenzeiten und große Datenmengen in Kauf nehmen zumüssen.

Berücksichtigung des StatorsFür eine rotordynamische Analyse des Gesamtsystems ist oft ne-ben dem reinen Rotor auch das dynamische Verhalten des Statorsvon Bedeutung. Um den Stator angemessen zu berücksichtigen

ohne das Finite-Elemente-Modell unnötig zu vergrößern, kommthier die Substrukturtechnik zum Einsatz. Mit Hilfe der Craig-Bampton Methode (Component Mode Synthesis Substructuring)kann auch ein komplexes Statormodell auf einige wenige Frei-heitsgrade reduziert werden ohne Abstriche an der Genauigkeitder Berechnung in Kauf nehmen zu müssen.

Berücksichtigung der LagerungDie Verbindung zwischen Rotor und Stator erfolgt durch Lager-elemente, die eine gewisse Nachgiebigkeit sowie Dämpfungs-eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften dieser Lagerelemen-te sind in der Regel abhängig von der Drehzahl des Rotors undhaben einen maßgeblichen Einfluss auf die Stabilität der Eigen-frequenzen des Rotors. Für die Abbildung dieser Eigenschaftensteht in ANSYS ein spezielles Lagerelement zur Verfügung: DasElement COMBI214. Die Lagerkennlinien können mittels einer ex-ternen Software über eine Schnittstelle direkt nach ANSYS ein-gelesen werden. Die Schnittstelle befindet sich zurzeit in der Ent-wicklung.

Wahl des BezugsystemsDie klassische Rotordynamik kennt grundsätzlich zwei Bezugsy-steme: Das ruhende Bezugsystem und das mitrotierende Bezug-system. In ANSYS können Analysen in beiden Bezugsystemendurchgeführt werden. Da allerdings Messungen in der Regel nurim ruhenden Bezugsystem durchgeführt werden, werden Finite-Elemente-Analysen ebenfalls nahezu ausschließlich im ruhendenBezugsystem durchgeführt. Die Umrechnung der Ergebnisse voneinem Bezugsystem in das andere Bezugsystem ist zudem kom-pliziert und hängt vom Modell selbst ab. Steht das Modell still, soexistiert kein Unterschied zwischen den Lösungen in beidenSystemen. Bei einem rotierenden System ohne nennenswertegyroskopische Effekte kann die Eigenfrequenz bei einer bestimmtenDrehzahl im ruhenden System ermittelt werden, indem zunächstdie Eigenform im mit rotierenden System analysiert wird. Handeltes sich um eine gegenläufig rotierende Biegeeigenform (BW), soergibt sich die Frequenz im ruhenden Bezugsystem durch Addi-tion der Drehzahl zur Eigenfrequenz, im anderen Fall (FW) durchAbzug der Drehzahl von der Eigenfrequenz. Sind die gyroskopi-schen Effekte im System dominant (starre Kreiselscheibe auf einermasselosen flexiblen Welle), so sind die Eigenfrequenzen im mitrotierenden und im ruhenden Bezugsystem gleich. In realen Ro-toren ist der gyroskopische Effekt weder vernachlässigbar kleinnoch ist er dominant gegenüber allen anderen drehzahlabhängi-gen Effekten. Es existiert daher für reale Rotoren keine einfacheUmrechnungsvorschrift, um vom mit rotierenden in das ruhendeBezugsystem umzurechnen. Es wird empfohlen, rotordynamischeAnalysen grundsätzlich im ruhenden Bezugsystem durchzuführen,es sei denn, die Aufgabenstellung erzwingt eine Berechnung immit rotierenden Bezugsystem. <<

ANSYS



Klaus-Dieter Schönborn, CADFEM GmbH, Stuttgart

Tel. +49 (0) 711-99 07 45-52


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Bild 6: Finite Elemte Modell eines Rotors (oben) & realer Rotor auf dem Prüfstand (Foto)

Aber auch dies geht einigen Vordenkernnicht weit genug. Sie wollen zusätzlich dasWissen, das durch die Simulationsanwen-dungen in ihrem Unternehmen erworbenwurde, im Software-System abbilden undeffektiv verwalten. Dadurch hoffen sie, dieInnovations- und Wettbewerbsfähigkeit desUnternehmens langfristig stärken zu kön-nen. Dabei gehen die Anforderungen übereine reine Datenverwaltung weit hinaus,

da eine CAE-spezifische Abbildung und Ver-waltung sowohl von Simulationsdaten alsauch von Abhängigkeiten und Prozessenabzusichern ist. Dazu wurde von ANSYSdie web-basierte Client/Server-LösungANSYS EKM (Engineering Knowledge Ma-nager) entwickelt. Sie ermöglicht es, einesimulationsgesteuerte Produktentwicklung(Simulation Driven Product Development)zu forcieren, indem die Integration und

Wiederverwendung des CAE-Wissens überProdukte und Prozesse optimiert wird.

Mehr Zeit zur Bearbeitung der eigentlichen technischen AufgabenEin wichtiges Ziel der EKM-Strategie ist es,dem Anwender mehr Zeit zur Bearbeitungder eigentlichen technischen Aufgaben zuverschaffen, anstatt unnötige Zeit mit derSuche nach Informationen, der Dokumen-tation seiner Arbeit und der Archivierungder Ergebnisse zu verbringen. Dadurchlassen sich unter anderem die Durchlauf-zeiten beschleunigen beziehungsweisemehr Varianten nach dem Prinzip „waswäre, wenn“ berechnen.

Reibungslose Kommunikation und effizienter DatenaustauschEine weitere wichtige Grundlage imEngineering ist die reibungslose Kommu-nikation und der effiziente Datenaustauschzwischen den im Einsatz befindlichen CAD- und CAE-Anwendungen. Jedoch sinddie traditionellen PDM-Lösungen (ProduktDaten Management) auf die Verwaltungvon CAD-Modellen ausgerichtet und nichtauf die Besonderheiten der Simulations-daten und -prozesse. Außerdem müssenSimulationen teilweise in unterschiedlichenphysikalischen Disziplinen – wie Struk-


ANSYS EKM kann nicht nur Daten verwalten

Immer mehr Verantwortliche in der Produktentwicklung erkennen, dass sie mit dem bisher erschlossenenCAE-Nutzenpotenzial lediglich die ersten Schritte bezüglich eines effizienten Einsatzes der heute verfügba-ren Simulationslösungen gegangen sind. Sie wollen deshalb die bisherige Nutzung intensivieren und dieAnwendungsbereiche erweitern.

ANSYS

Bild 1: Verwaltung der Simulationsdaten und -prozesse mit Hilfe von ANSYS EKM.

© iS

tock

phot

o.co

m/d

em10

turmechanik, Strömung, Temperatur,Akustik oder Elektromagnetik – durchge-führt oder als Multiphysics-Anwendungenmiteinander in Beziehung gebracht wer-den. Folglich sind sowohl die Heterogenitätder einzelnen Simulationsdisziplinen alsauch die Beziehungen und Abhängigkei-ten zwischen den Disziplinen zu berück-sichtigen.

Mit der EKM-Software lassen sich sämt-liche CAE-Daten, aber auch andere Datei-formate, in ihrem jeweiligen Kontext ver-walten. Dabei erfolgt die Extraktion derMetadaten automatisch und kann kun-denspezifisch angepasst werden. So kön-nen die wichtigsten Eigenschaften undErgebnisse einer Simulation auch über dieMetadaten bewertet werden, ohne die ent-sprechenden Dateien öffnen zu müssen.

Bedarfsgerechte Bereitstellung zur WiederverwendungMit der systematischen Verwaltung der In-formationen aus dem Produktentstehungs-prozess sowie der bedarfsgerechten Bereit-stellung wird die Wiederverwendung vonzuvor erarbeitetem Wissen vereinfacht undkann damit für ähnliche, modifizierte An-forderungen genutzt werden. Dazu gehörtunter anderem die Dokumentation der ein-zelnen Arbeitsschritte innerhalb der Pro-duktentwicklung inklusive der Grundlagenfür die Entscheidungsfindung. Neben derDokumentation der Eingangsbedingungenfür die Berechnungen sowie deren Ergeb-nisse kann die Ergebnisinterpretation unteranderem durch die automatische Erstellungvon Vergleichsreports erleichtert werden.

Außerdem ist im Bereich der Simulations-anwendungen ein hohes Maß an Auto-matisierungspotenzial vorhanden, das um-gesetzt werden sollte, um sich dann auf diewichtigen kreativen Engineering-Aufgabenzu konzentrieren. Mit dem im ANSYS EKMintegrierten Prozessmanagement könnenimmer wieder durchzuführende Arbeits-schritte automatisiert ablaufen, um so dieEffizienz zu erhöhen und die Fehlerrate zuminimieren. Hier sei insbesondere auf dieStandardisierung von Prozessen hingewie-sen, die unternehmensweit über Länder-grenzen hinweg etabliert werden kann. Fer-ner wird eine gezielte Steuerung der Da-tenflüsse durch automatisierte Prozess-

abläufe ermöglicht, so dass sich der ma-nuelle Koordinationsaufwand auf ein Mi-nimum reduzieren lässt.

Zusätzlich haben beispielsweise Projekt-leiter jederzeit einen guten Überblick überden aktuellen Stand der Entwicklung undkönnen gezielt in den Projektdaten navi-gieren, um die für sie wichtigen Informa-tionen zu erfassen. Sie erhalten damit ein-fach und schnell den erforderlichen Wis-sensstand, wobei auch hier die Devise gilt:so wenig Daten wie möglich, aber so vielInformationen wie nötig. Die automatischeErstellung von Reports für interne Projekt-besprechungen (design review meetings)oder Präsentationen beim Kunden schaf-fen eine solide Grundlage für die notwen-digen Entscheidungsfindungen.

Schutz des unternehmens-spezifischen Know-howDie EKM-Lösung ermöglicht mehr Trans-parenz und eine gezielte Wiederverwen-dung von vorhandenem Wissen. Dadurchmuss „das Rad nicht immer wieder neu er-funden werden“, speziell bei einer regio-nal verteilten Entwicklung. Außerdem gehtdas Wissen von erfahrenen Mitarbeiternmit ihrer Pensionierung nicht vollständigverloren, sondern kann zumindest teilweisein die Software-Lösung integriert werden.Über eine dedizierte Benutzerverwaltung,mit der die Zugriffsrechte von einzelnenMitarbeitern, Arbeitsgruppen und Abtei-lungen geregelt werden, kann der Schutzdes geistigen Eigentums umfassend abge-sichert werden, so dass das Wissen überdie eigenen Produkte sowie deren Ent-wicklungs- und Fertigungsprozesse nichtin fremde Hände beziehungsweise auffremde Rechner geraten kann.

ResümeeInnerhalb des gesamten Produktent-stehungsprozesses nimmt die Simulationzwar nur einen kleinen, hochspezialisier-ten Platz ein, spielt aber trotzdem einewichtige und oft entscheidende Rolle inder Produktentwicklung. Aufgrund derSpezialisierung, der Vielfältigkeit und derhohen Komplexität der Simulations-anwendungen stand deren Integration inunternehmensweite PLM-Lösungen (Pro-duct Lifecycle Management) bisher nochnicht so im Mittelpunkt der Aktivitäten, wieetwa die Konstruktion und die Fertigungmit ihren CAD- und CAM-Anwendungen.Mit ANSYS EKM wurde jedoch eine Lösungentwickelt, mit der die speziellen Anfor-derungen der Simulation an Datenmana-gement und Prozessunterstützung erfüll-bar sind und gleichzeitig die Einbindung inunternehmensweite PLM-Lösungen er-leichtert wird. Mit Hilfe einer simulations-gesteuerten Produktentwicklung (Simula-tion Driven Product Development) undeinem entsprechenden Wissensmanage-ment können Unternehmen gezielter undschneller auf veränderte Marktanforde-rungen reagieren, da umfangreiches Pro-duktwissen nicht nur vorhanden, sondernauch für die Wiederverwendung direktverfügbar ist. <<

ANSYS


Ansprechpartner

Gerhard Zelder, CADFEM GmbH, Grafing

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-87


Dieser Beitrag ist eine gekürzte Version der

gleichnamigen Veröffentlichung im Produkt-

datenjournal 1-2011.

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Bild 2: Prozessablauf beim gemeinsamen Einsatz

von EKM für Fluid- und Mechanik-Simulationen.

Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost:

Stabile FaserverbundbauweiseIn Kooperation mit der GHOST-Bikes GmbH haben Wissenschaftler am Institut für Struktur-leichtbau und Sportgerätetechnik (IST) der TU Chemnitz erfolgreich die Beanspruchungen imFahrbetrieb eines Fahrradrahmens aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mitANSYS Composite PrepPost virtuell abgebildet und das Versagen der komplexen Leichtbau-struktur analysiert.

durch innovati-ve Modellie-rungs- und Aus-wertungsmög-lichkeiten dienotwendigenAnpassungenzur Berechnungvon FKV-Strukturenwesentlich verein-facht.

Im Vordergrund der wissenschaft-lichen Arbeiten am IST stehen die Ent-wicklung und Erforschung integrativerKunststofftechnologien zur ressourcen-effizienten Fertigung von Leichtbaustruk-turen und -systemen. Zur optimalenEinstellung von Strukturparametern undProzessfenstern werden analytische undnumerische Berechnungsverfahren einge-setzt und dabei seit Jahren auf die Produktevon CADFEM wie z.B. ANSYS, LS-DYNAund ESAComp vertraut. Durch den zielge-richteten Einsatz und die Kombination dereinzelnen Softwarelösungen können die

Materialeinsatzes undder Bestimmung derFaserorientierung sindallerdings aufwändigeBerechnungen not-wendig, die bei der-artig komplexen Bau-teilen den Einsatz vonnumerischen Berech-nungsmethoden vor-aussetzen. Konventio-nelle Simulationspro-gramme erfordern beider Definition der Fa-

serorientierung und des Laminataufbauseinen erhöhten Modellierungsaufwand, sodass ihr effizienter Einsatz in der Fahrrad-industrie bisher eher auf metallische Werk-stoffe beschränkt ist.

Mit ANSYS Composite PrepPost steht nuneine in ANSYS Workbench integrierte, spe-ziell für geschichtete Verbundbauteile ent-wickelte Software zur Verfügung, die aufdie hervorragenden Element- und Solver-Technologien von ANSYS zurückgreift und

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind auf-grund ihrer hohen mechanischen Leicht-baueigenschaften und der nahezu end-bearbeitungsfreien Fertigung der Trend-werkstoff im Rahmenbau von Mountain-bikes. Darüber hinaus lassen sich die End-losfasern gezielt in Richtung der Belastun-gen anordnen und somit hohe gewichts-bezogene Bauteilfestigkeiten und -steifig-keiten der Rahmen durch hochfeste Kohle-fasern erreichen. Zur Optimierung des


Software

Bild 2: Segmentiertes Flächenmodell des Fahrradrahmens

Bild 3: Applizierte DMS-Rosetten Bild 4: Laminatkonfiguration im ESAComp (links) und Kontrolle des Lagenaufbaus im ACP (rechts)

Bild 1: Mountainbike HTX Lector

Team Black der GHOST-Bikes GmbH

(Quelle: GHOST-Bikes GmbH)

niveaus und die Berücksichtigung vonBremsbelastungen, Sattel- und Lenkerlastenwurden insgesamt drei Lastkollektive defi-niert. Anschließend konnten die Rahmen-

prüfungen mit Pro/ENGINEER MDXvirtuell abgebildet und die

dynamischen Kräfte, dieauf den Fahrradrahmen

einwirken, analysiertsowie in siebenquasi-statischeLastfälle über-führt werden.Um die unter-schiedlich bela-steten Bereichedes Bauteilsdurch eine ziel-gerichtete Ma-

terialzuweisungoptimal auszule-

gen wurde derRahmen im ANSYS

DesignModeler virtuell inneun Segmente (Bild 2) unter-

teilt. Die abschließende Verifizierungdes Simulationsmodells erfolgte mit DMS-Messtechnik auf einem branchentypischenPrüfstand der GHOST-Bikes GmbH (Bild 3).

Simulation in ANSYS Composite PrepPostDas vollständig definierte Simulationsmo-dell wird durch die assoziative Kopplungmit ANSYS Workbench direkt in das Com-posite-Tool übernommen. Für die FKV-spe-zifische Modellierung des Fahrradrahmensbietet ANSYS Composite PrepPost im Be-reich des Pre- und Postprocessing vieleeffiziente und praxisbezogene Funktiona-

ertragbaren Beanspruchungen des Bauteilszwingend erforderlich. Die technischen An-forderungen und zugehörigen Prüfverfah-ren werden für Mountainbikes durch dieDIN EN 14766 und mit einem erhöhtenLeistungsprofil durch die DINplus definiert.Beide berücksichtigen allerdings nicht alleim Fahrbetrieb wirkenden Belastungen, sodass aktuelle Forschungsprojekte zur Be-triebslastenermittlung an Fahrrädern ana-lysiert und aus den Ergebnissen eine er-weiterte Rahmenprüfung abgeleitet wur-de. Durch die Erhöhung des Belastungs-

ca. 280 Wissenschaftler aus Chemnitz, dieim Netzwerk Strukturleichtbau (IST, An-Institut CETEX, Strukturleichtbau e.V. undStart-Up LSE GmbH) zusammenarbeiten,einen breiten Forschungsbereich abdecken.Zu den Projektpartnern zählen regionaleund überregionale KMU sowie Großunter-nehmen aus unterschiedlichen Branchen.

Ermittlung der BetriebslastenFür eine effektive numerische Simulationist die genaue Kenntnis der Betriebsbela-stungen, der Randbedingungen und der

Software


Bild 5: Definition der 0°-Faserrichtung mit Hilfe von kartesischen Koordinatensystemen

litäten. Die Materialdefinition inklusiveversagensrelevanter Parameter ist durchmanuelle Eingabe oder durch den Importvon in ESAComp erstellten Materialkom-binationen möglich. Diese können an-schließend zu Einzelschichten, Laminatenund Laminatgruppen mit unterschiedlichenmechanischen Eigenschaften sowie Ge-samtdicken zusammengefasst werden. Fürdie Versagensanalyse des Fahrradrahmenswurden insgesamt 16 Laminatkonfigura-tionen mit Standard-, hochfesten sowiehochsteifen Kohlefasern erstellt und mit-einander verglichen. Die Materialzuweisungfür das Simulationsmodell ist im ANSYSComposite PrepPost über orientierteElementgruppen festgelegt (Bild 4). Überdiese Elementgruppen, die für jeden Be-reich des Fahrradrahmens definiert werdenund sich untereinander überlappen kön-nen, werden zudem die Ablagerichtung desLaminats und die 0°-Faserrichtung definiert.

Zusätzlich kann derAnwender durch kar-tesische, zylindrischeund sphärische Ko-ordinatensysteme dieFaserrichtung für jedeElementgruppe in-dividuell anpassen(Bild 5).

Im Postprocessingüberzeugt ANSYSComposite PrepPostvor allem durch dieImplementierung vie-ler aktueller Versa-genskriterien sowie

der Möglichkeit der intergralen und schicht-weisen Ergebnisauswertung, so dass fürden CFK-Rahmen in den einzelnen Lastfäl-len jeweils die kritischen Bereiche identifi-ziert werden konnten. Weiterhin ist es fürdie besonders kritischen Bereiche unterAnwendung der neuen Bruchkriterien nachPuck und Cuntze gelungen, das exakteVersagensverhalten zu bestimmen (Bild 6).Diese Informationen wurden anschließendfür die gezielte Anpassung des Lagen-aufbaus verwendet und unterschiedlicheVariantenstudien durchgeführt. Das Er-gebnis der Untersuchungen ist ein opti-mierter CFK-Rahmen, der die Festigkeits-anforderungen des Bauteils erfüllt und imVergleich zu den ursprünglichen Variantensogar kostengünstiger in der Herstellungist (Bild 7).

Mit ANSYS Composite PrepPost können dieFestigkeits- und Steifigkeitseigenschaften

von faserverstärktenFahrradkomponentenoptimal auf die An-forderungen im Fahr-betrieb angepasstund die Effizienz beider Entwicklung neu-er Bauteile gesteigertwerden. Entgegender für die Fahrrad-branche typischen„Trial and Error“ Ent-wicklungsmethodikwird dadurch die An-zahl kosten- und zeit-intensiver Versuche anPrototypen verringert.<<


Software

ANSYS Composite PrepPost & LS-DYNA

Eine weitere, neue Funktionalität vonANSYS Composite PrepPost hinsicht-lich Unterstützung von LS-DYNAKeyword-Files ist derzeit in Entwick-lung und steht in ANSYS 13.0 zum er-sten Mal als BETA-Funktion zur Ver-fügung. ANSYS Composite PrepPostist damit in der Lage LS-DYNAKeyword-Files, v. a. solche, die inANSYS und ANSYS Workbench auf-bereitet und exportiert wurden, ein-zulesen. Die Definition des Lagenauf-baus erfolgt analog zur Aufbereitungfür ANSYS. Somit muss der Compo-site-Lagenaufbau nur einmal aufbe-reitet werden und kann sowohl fürSteifigkeit- und Festigkeitsberech-nungen in ANSYS als auch Crashbe-rechnungen in LS-DYNA verwendetwerden. Eine Modellaufbereitung fürLS-DYNA über ANSYS Workbenchbringt zusätzlich den Vorteil, dass so-wohl das LS-DYNA Modell als auchder Lagenaufbau geometriebasiertsind und somit einer Aktualisierungder Geometrie nichts im Wege steht.


Bild 7: IRF nach Bruchkriterien von Puck für die optimierte Laminatkonfiguration

Bild 6: IRF nach Bruchkriterien von Cuntze für die Ausgangslaminatkonfiguration

Norbert Schramm, Jörg Kaufmann,

Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Kroll,

IST der TU Chemnitz

Weitere Informationen:

www.strukturleichtbau.net

www.ghost-bikes.de

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Matthias Hörmann,


Tel. +49 (0) 80 92-70 05-41


Weitere Informationen:

www.cadfem.de/composites

CADFEM auf der JEC Composites 2011

Halle 3, Stand A71 (Bayern Innovativ)

29. – 31. März 2011, Paris

| Autoren✒


In Aachen berichtete Peter Seggewiß vonder Kolbenschmidt Pierburg AG, wie aufKonzernebene im Zentralbereich Forschungund Technologie neben einer zentralen Vor-entwicklung die Zusammenfassung derBereiche der Simulation, der Elektronik-Ent-wicklung, sowie der Motor- und Kompo-nenten-Prüfeinrichtungen in der ZentralenEntwicklung erfolgte. Einer der wichtigstenErfolge der Konzernstrategie war die Stei-gerung der Produktqualität bei gleichzeiti-ger Kostenreduktion. Wie Peter Seggewißerläuterte, bleibt trotz des unstrittigen Bei-trags zum Erfolg eine auf Zahlen basierteBewertung der Wirtschaftlichkeit von Simu-lation schwierig. „Während die Kostenseitenoch vergleichbar transparent erscheint, wirddie Betrachtung des Nutzens spätestens beider Bestimmung von Opportunitätserlösenals wirtschaftlicher Beitrag der Simulationheikel.“ Dabei bestand in der DiskussionEinigkeit darüber, dass viele Produkte ohneSimulation nicht realisierbar wären.

Im zweiten Vortrag des Tages erläuterteThomas Grathwohl vom Liebherr-WerkEhingen die Hauptaufgaben der Berech-nungsingenieure in seinem Unternehmen.Sie beschäftigen sich mit Stahlbauausle-gungen für Krane mit einer Tragfähigkeitvon bis zu 3.000 Tonnen. Dabei sind klei-ne Stückzahlen die Regel, manchmal so-gar Einzelanfertigung, so dass schon der„Prototyp“ dem Kunden fehlerfrei ausge-liefert werden muss. Bezüglich der Simu-lation bestimmen die gewählten Berech-nungsmodelle die Wirtschaftlichkeit. Mitdazu gehören die richtige Software und Si-mulationsmethodik sowie die Ausbildungund die Erfahrungen der Mitarbeiter.

Thomas Grathwohl erläutert: „Im Kranbaumüssen die Regelwerke exakt eingehaltenwerden, und zwar für vielfältige Rüst-zustände und Konfigurationsmöglichkei-

ten, wobei immer große Verformungen zuberücksichtigen sind.“ Deshalb ist im Kran-bau die Simulation zwingend notwendig,denn sie liefert die Eingangsparameter fürdie Konstruktion. „Nur durch die Simula-tion können die in einer Struktur vorhan-den Reserven – zum Beispiel ein günstige-rer Kraftfluss – aufgespürt und genutzt wer-den“, betont er.

Einen anderen Aspekt beleuchtete RolfKlamann von Continental im Zusam-menhang mit den Megatrends (Umwelt,Sicherheit, bezahlbare Mobilität und CO2-Minderung) in der Automobilindustrie. Alsentscheidend sieht er die Frage: Wann binich mit meiner Innovation am Markt? Denn

nur der Erste kann die größte Marge erzie-len. Er empfiehlt deshalb, für jede Aufgabedas jeweils beste Software-Werkzeug ein-zusetzen, und appellierte an die Anbieter,flexiblere Lizenzmodelle zu realisieren undden Datenfluss zwischen den Anwendun-gen zu verbessern. Als nächste Herausfor-derung nannte er die Integration von An-wendungen in der Mechanik-, Elektronik-und Software-Entwicklung (Mechatronik).

Im abschließenden Impulsvortrag berich-tete Thomas Stark über die enge Einbin-dung der Simulation in die diversen Ent-wicklungsprojekte bei der BauknechtHausgeräte GmbH und der internatio-nalen Muttergesellschaft Whirlpool. Damitsoll der Nutzen der Simulation bei vollerKostenkontrolle stetig erhöht werden. Alseinen Hauptvorteil der Simulation wird derverbesserte Einblick in die Physik gesehen,der optimierte Lösungen für die Produkt-entwicklung ermöglicht. Folglich wurde dieSimulation bei Bauknecht als kritische Kern-kompetenz im Engineering erkannt, dennwiederverwendbare Simulationsprozesseund -daten schaffen mehr Sicherheit, be-schleunigen die gesamte Produktentwick-lung und reduzieren die Fehleranfälligkeit.

Außerdem berichtete Thomas Stark überdie Prämissen, mit denen Bauknecht eineAusweitung der Simulation in Länder mitgeringeren Lohnkosten realisiert. Über die-sen allgemeinen Trend in der Industrie wur-de im Plenum intensiv diskutiert, unter an-derem über den hohen Kommunikations-aufwand und die Gefahr eines Know-how-Abflusses aber auch über rapide steigen-de Lohnkosten in den entsprechenden Län-dern. Abschließend betonte Thomas Stark,dass komplexe und kritische Simulations-aufgaben, bei denen viel Produkt-Know-how erforderlich ist, weiterhin in Europaoder den USA bearbeitet werden. <<


6. CAE-Forum betrachtete dieWirtschaftlichkeit von SimulationenDas 6. CAE-Forum fand mit rund 50 Teilnehmern am 4. November 2010 in Aachen während der „ANSYSConference & 28. CADFEM Users’ Meeting 2010“ statt und beschäftigte sich mit dem Thema „Wirtschaftlich-keitsbetrachtung von Simulation“. Moderiert wurde es von Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack, Lehrstuhlinhaberfür Konstruktionstechnik an der Universität Erlangen, und von Mitgliedern der Technet Alliance.

CAE-Weiterbildung

Vorankündigung

7. CAE-Forum:Von der Co-Simulation zur Systemsimulation

am 8. Juni 2011 an der Friedrich-Alexander-Universität, Erlangen-Nürnberg

Diskussionsschwerpunkte:

• Einbindung von FE-Modellen in die Regelungssoftware:Berücksichtigung der Komponen-tensimulation im Gesamtsystem

• Mechatronik: Kopplung mechani-scher und elektronischer Berech-nungen

• Fluid-Struktur-Interaktion: Kopplung Strömungssimulation und mechanischer Simulation

www.esocaet.com/cae-forumKristin SchuheggerTel. +49 (0) 80 92-70 05-80


Such studies were originally conducted byassuming that the stresses and strains inthe unloaded state – one with zero trans-

mural pressure and zero axial load – werezero throughout the tissue sample (Chuongand Fung 1986). This assumed reference

state was then used to define stresses andstrains at the loaded tissue states.

This approach can cause significant errorsin the determination of stresses and strainsin arterial tissue as residual stresses areknown to exist as stated in, for example,Chuong and Fung (1986) and Holzapfelet al. (2007). Arterial tissue analysis hasbeen refined by characterizing the residualdeformations using a single measuredparameter from a complete tissue sample,the so called ‚opening angle‘ of a radiallycut ring segment (Chuong and Fung1986).

Recent studies have shown, however, thatit is unlikely that residual deformations inthe arterial wall can be appropriately cha-racterized using a single parameter due tothe inhomogeneous nature of the tissueand the three-dimensional (3D) characterof the residual deformations.

Three-dimensional residual stresses in thecomposite arterial tissue have been con-sidered, for example in the study byHolzapfel et al. (2007). They analyzed theresidual deformations of layer-specific tissuestrips obtained from the circumferentialand longitudinal directions; representativeimages are shown in Fig. 1. In addition,layer-separated (intima, media, adventitia)testing has demonstrated that significantresidual stresses exist within these threelayers in the unloaded, composite state(Holzapfel et al. 2007). Once the threelayers present in the (aged) human arterialwall are separated, it is possible to deter-mine a (nearly) stress-free configuration foreach layer, in both the circumferential (Fig.2(a)) and the longitudinal (Fig. 2(b)) direc-tions. This contraction or respectivelyexpansion of the individual arterial layers

Revisiting the Mechanical Testing of HumanArterial Tissue Considering Residual StressesMechanical testing of human arterial tissues is required to determine their biomechanical properties and tospecify suitable constitutive models and related parameters. Such constitutive models, in turn, facilitatemeaningful finite element simulations at tissue as well as at organ level, and thus open up a multitude ofpossible studies. Passive tissue response is commonly measured using uniaxial or biaxial mechanical testing,or pressure-diameter tests, of complete arterial tissue samples.

Grundlagen & Technologie


Fig. 1: Circumferential strip (aortic segment after a radial cut through the vessel wall) (a) and longitudinal strip (aortic segment

excised along the vessel axis) (b) of a human aorta attached to a cylindrical plastic tube in a Ca2+-free saline solution at a tempera-

ture of 37 ± 0.1 °C after 16 hours of equilibration; from Holzapfel et al. (2007).

Fig. 2: Human aortic patches along the circumferential (a) and the longitudinal (b) directions, and separated into three strips, i.e.

the intima, media, and adventitia. The intact aortic tissue patches are shown at the top. Although, before separation the aortic

patches all had the same in-plane dimensions, their dimensions differ significantly after separation. This phenomenon indicates the

existence of layer-specific residual stretches in the circumferential and longitudinal directions; from Holzapfel et al. (2007).

after separation leads to an estimation ofthe arterial pre-stretch.

Students and researchers at the Instituteof Biomechanics, Graz University of Tech-nology are using ANSYS to study theresidual stresses in the arterial tissue layers.As a representative example, using a neo-Hookean material model and SOLID185hexahedral finite elements, the three tissuelayers in the longitudinal direction areconsidered in their (nearly) stress-freeconfigurations (see Fig. 3). It is assumedthat due to the low bending stiffness theindividual layers are not curved. Thisassumption can be verified by consideringthe individual layers in Fig. 2. Materialparameters for the individual arterial layerhave been taken from Holzapfel and Ogden(2010) and are indicated by different colors(intima, media and adventitia correspondto blue, red and yellow, respectively).

Using experimentally determined pre-stretches (Holzapfel et al. 2007), the threetissue layers can be expanded or contrac-ted in the longitudinal and circumferentialdirections accordingly to numericallyreconstruct the original tissue composite,as shown in Fig. 4. This numerical recon-struction leads to the generation of residualstresses in the tissue sample, compressivestresses in the intima, and tensile stressesin the media and adventitia.

Finally, the composite tissue is allowed torelax as in a physiological saline solution(temperature of 37 ±0.1°C), shown in Fig. 5,where the attachment to the cylindricalplastic tube is modeled by boundary con-ditions. Hence, as seen in Fig. 5, a residualstress distribution occurs in addition tolongitudinal (along the x-direction) andcircumferential (along the y-direction)curvatures. The numerical result shows thebasic biomechanical characteristic of thatparticular tissue strip observed experimen-tally, see Fig. 1(b).

Finite element models, employing theHolzapfel constitutive model for arterialtissue (Holzapfel et al. 2000), are used tostudy residual stress states in human arterialtissue, an area for research with severalimportant applications. The model ofHolzapfel et al. (2000) has been imple-mented in ANSYS using the USERMAT user



Fig. 4: Numerical recon-

struction of the arterial

tissue sample by expan-

sion or contraction of

each layer leading to the

generation of stresses.

Average nodal stress jxx

in the x-direction, given

in kPa.

Fig. 5: Simulated relaxa-

tion in physiological sa-

line solution of a longitu-

dinal arterial tissue strip

at a temperature of 37

±0.1 °C leads to signifi-

cant curvatures in both

longitudinal and circum-

ferential direction. The

tensile stresses in the

media are reduced. The

deformed state is very

similar to that one obser-

ved experimentally, see

Fig. 1(b). The residual

stress distribution jxx in

the tissue sample is based

on average nodal stresses in

the x-direction, given in kPa.

Fig. 3: Stress-free confi-

guration of three arterial

tissue layers of a longitu-

dinal strip (the longitudi-

nal direction corresponds

to the x-direction).

Colors indicate different

arterial layers with diffe-

rent material parameters

(intima, media, and

adventitia correspond to

blue, red and yellow,

respectively).

programmable features (Fritsch 2008a andFritsch 2008b). It is clear that residual defor-mations and stresses play a significant rolein the function of arterial walls, andtherefore, in vascular physiology anddisease (Holzapfel et al. 2007).

References:

• C. J. Chuong and Y. C. Fung. On residual stresses in arteries. J. Biomech. Eng., 108:189–192, 1986.

• G. A. Holzapfel and R. W. Ogden.Modelling the layer-specific three-dimensional residual stresses in arteries, with an application to the human aorta. J. R. Soc. Interface, 7:787–799, 2010.

<<

• G. A. Holzapfel, G. Sommer, M. Auer, P. Regitnig, and R. W. Ogden. Layer-specific 3D residual deformations ofhuman aortas with non-atheroscleroticintimal thickening. Ann. Biomed. Eng., 35:530–545, 2007.

• G. A. Holzapfel, T. C. Gasser, and R.W.Ogden. A new constitutive frameworkfor arterial wall mechanics and a com-parative study of material models. J. Elasticity, 61:1–48, 2000.

• A. Fritsch. Holzapfel‘s anisotropic, hyperelastic material model for softtissues – Verification Manual. Unpublished manuscript, 2008a.

• A. Fritsch. Holzapfel‘s anisotropic,hyperelastic material model for softtissues – Implementation & Usage. Unpublished manuscript, 2008b.


Authors

Dr. David M. Pierce, Thomas E. Fastl,

Graz University of Technology,

Institute of Biomechanics, Graz, Austria

Prof. Dr.-Ing. Gerhard A. Holzapfel,

Graz University of Technology

Institute of Biomechanics

Graz, Austria

Royal Institute of Technology (KTH),

Department of Solid Mechanics,

Stockholm, Sweden

| Author and Contact Person✒

Contact Person

Prof. Dr.-Ing. Armin Fritsch,

Munich University of Applied Sciences

Faculty 03, Munich, Germany

| Informationi

Anzeige

This article discusses four hyperelastic models for rubber-like materials. These models are available in ANSYS 13. Wealso rank the models, according on their capability of accu-rately reproducing the multiaxial loading states observedin the reality.

In the following we discuss elements of the constitutive modelingof class of materials generally known as rubbers or elastomers.The former name – “rubbers” – also probably the oldest one, re-fers to the unimportant ability of these materials to remove pen-cil from paper by an abrasive rubbing action. On the other hand,the name elastomers, is more illuminating and characterizes theimportant ability of these extraordinary materials to sustain largereversible elastic deformations.

The elastomers find usage in variety of technical items such astires, transmission mounts, exhaust rubber parts, heart valves,gaskets in supersonic jet plane, etc. The design of these technicalparts necessitates the use of simulation tools such as finite elementsoftware. In this context, the choice of an appropriate constitu-tive model is an essential prerequisite for good numerical predic-tions. There is significant number of papers which proposed newconstitutive equations for rubber in the last few years. All of thesemodels attempt to describe the response of elastomers, but fewof them are indeed able to characterize material in a way com-pletely coherent with the experimental observations. Moreover,there are few studies that quantitatively evaluate and comparethe predicitive capabilities of available hyperelastic material models.Among the known ones we mention: [1], which compares sixdifferent models and highlights the danger of power seriesformulations in hyperelasticity for characterization of biaxialresponse of rubbers, based on material parameters from uniaxialexperimental data;[2] compares five models for different types ofdeformation; [3] considers experimental data of Treloar andWatanabe and proposes ranking of 26 hyperelastic materialformulations, based on their predictive capabilities.

Below we closely follow [3] in highlighting the features of twonew constitutive formulations appearing first in ANSYS 13, namely:the micromechanically motivated extended tube model; and theresponse function model. Notice that, the elastomer response, infocus is assumed isotropic and incompressible. All inelasticphenomena (viscoelasticity or damage) are neglected and only thenon-linear elastic response is taken into consideration.

General classification of material models for elastomersHyperelastic constitutive models can be grouped into three classes,depending on the technique followed by the authors whencharacterizing energetically the response of elastomers:

Group 1: Phenomenological models.This group, of constitutive formulations is derived based on macro-

mechanics of deformation. From this class of models most widelyused is the proposal of Mooney and Rivlin. Specific is that materialparameters are generally difficult to determine and the modelshave their deficits when used out of the deformation range inwhich their parameters were identified.

Group 2: Response type of models.These are models in which the derivatives of the hyperelasticpotential are directly determined based on the the experimentaldata. Example is the new response function model in ANSYS 13.Roughly, these kinds of formulations do not require estimation ofmaterial parameters but work with the experimental input directly.

Group 3: Micromechanical models.The models of this group are derived based on careful study ofstochastic kinetics of deforming polymer chains. Such models leadto hyperelastic potentials depending on micromechanical defor-mation mechanisms observed in the elastomer. Although physi-cally very sound, in most of the cases, the mathematical formula-tion of this goup of models is quite complicated. The Bergström-Boyce models, as well as the extended tube model in ANSYS 13are typical examples for such formulations

Continuum mechanical considerationsConsider the deformation of a rubber-like solid and denote by Fthe local deformation gradient. The right and left Cauchy-Greendeformation tensors, respectively C and b, are defined by:

(1)

These tensors admit the same three same principal invariantsdenoted I1, I2 and I3, given by:

(2)

For homogeneous isotropic elasticity, the stored energy per unit un-deformed volume is a function only of the principal invariants, i.e.

(3)

In the general theory of hyperelasticity, it is assumed that stresstensors derive from strain energy function. Known (5), one therefore calculates the stress state at each material point bydifferentiating W in the corresponding strain measure. For largestrain problems, two major stress tensors are used: the true (orCauchy) stress tensor and the nominal (or first Piola-Kirchhoff)stress tensor P. They are related by, . Conside-ring incompressible materials leads to an additional kinematicalcondition on strain: . This condition is typically capturedby penalizing the compressible elastic response with an additionalterm in the hyperelastic potential.

a) Phenomenological modelsBegin with the Mooney-Rivlin material model. It is based on the


Review of the Basic Hyperelastic Constitutive Models in ANSYS 13.0


observation that rubber response is linear under simple shearloading conditions, and considers W in the following form:

(4)

where Cij are material parameters and C00 = 0. The Mooney-Rivlinseries is often truncated after the second order terms. Since theMooney-Rivlin representation is not polyconvex it can be improvedby considering other strain invariants.

b) Response type modelsThis type of material model is first available in ANSYS 13. Themodel uses experimental data to determine the derivative of thehyperelastic potential with respect to the three principal invariants(constitutive response functions). Based on this information further,the material tangent matrix (second derivative of the hyperelasticpotential) is calculated and used in the construction of the elementincremental stiffness matrices..

c) Physically-Based modelsThe physically-based models are derived from micromechanicalstudies of the response of polymer chains in the network. Thedifference between these models depends on number of micro-mechanical deformation modes accounted for. Below we considertwo typical representatives of these kinds of models: the neo-Hookean model; and the extended tube model. The neo-Hookeanmodel – probably the simplest – physically based material equa-tion for rubbers, can be made coincident with the Mooney-Rivlinmodel. The neo-Hooke formulation is derived from molecular chainstatistics considerations. As well known rubbers consist from anetwork of long flexible randomly oriented chains (cross-) linkedby chemical bounds. The elasticity of this network is due to entropicchanges during deformation (the rubber cools-down whenstretched) and the entropy of the material is defined by the numberof possible conformations of macromolecular chains. Based onthe statistical estimate of the number of conformations, the neo-Hooke model is obtained in the form:

(5)

where n is the chain density per unit of volume; k is the Boltz-mann constant and T is the absolute temperature. For carbonblack-filled natural rubber,

The derivation of the neo-Hooke model is “biased” by the so cal-led phantom assumption, namely: the model does not accountfor chains entanglement and allows for polymer chains to passthrough feely. When accounting for the entanglement constraintin the deformation kinetics of polymer chain, the hyperelasticpotential can then be considered in a separable form of the kind,W = Wph + Wc ,where Wph is the phantom network contributionand Wc is the constrained part. The extended tube model by,Heinrich and Kaliske [4] belongs to the physically based elastomerformulations whose energetic formulation is captured by thisexpression. In this model the chains are constrained to remain ina tube formed by surrounding chains. Such assumption is consistentwith the high degree of entanglement of the rubber network bylarge macroscopic deformations. The confinement of chains isgoverned by a topology restoring potential. The authors used the

statistical mechanics based on non-Gaussian distribution todetermine the hyperelastic potential

Ranking of the hyperelastic constitutive formulationsIn order to assess the capabilities of the above mentioned hyper-elastic constitutive formulations available in ANSYS one could utilizethe following set of evaluation criteria: (i) larger the validity rangeof a model for the complete behavior (different types of loadingconditions), upper the ranking; (ii) greater the number of materialparameters of a model, lower the ranking; (iii) in the context of (i)and (ii), the model able to reproduce completely the experimentaldata set with the same set of material parameters is considered thebest; (iv) to the physically-based models is given larger preferencebecause the hyperelastic formulation based on micromechanicalconsiderations is the only reasonable ground for the developmentof inelastic constitutive equations (viscoelasticity, Mullins effect,etc.). According to these ranking criteria the above mentionedmodels classify as follows (descending order in capabilities):

1. The extended tube model2. The response function model3. Mooney-Rivlin model4. neo-Hooke model

ConclusionThis ranking leads to some remarks. First, only 2 models are typi-cally able to fit all experimental data: the extended-tube, andresponse function models. Among them, only the response functionmodel does not require material parameters. From the materialmodels requiring determination of material parameters the bestone is the extended-tube model because it involves only fourparameters and its derivation is physically-motivated. It is knownthat, for moderate strain, i.e. 200-250%, the 2-parameter Mooney-Rivlin model is most efficient. For small strain, i.e. about 150%and below, the neo-Hookean constitutive formulation should beused for three reasons: (a) it is physically-grounded, (b) it involvesonly one material parameter and (c) it is able to predict the materialresponse for different types of loading conditions. <<



Dr. Slav Dimitrov, CADFEM GmbH, Grafing

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[1] D. J. Seibert and N. Schöche. Direct comparison of some recent

rubber elasticity models. Rubber Chemistry and Technology,

73:366–384, 2000

[2] M.C. Boyce and E.M. Arruda. Constitutive Models of Rubber Elasti-

city: A Review. Rubber Chemistry and Technology, 73:504-523, 2000

[3] G. Marckmann and E. Verron. Comparison of hyperelastic models

for rubberlike materials, Rubber Chemistry and Technology,

79:835-858, 2006

[4] M. Kaliske, G. Heinrich. An Extended Tube-Model for Rubber Elasti-

city: Statistical-Mechanical Theory and Finite Element Implementation.

Rubber Chemistry and Technology, 72:602-632 (1999)

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