FEM-Simulation

Komplexe Strukturen verstehen und verbessern

Durch numerische Berechnungen nach der Finite Elemente Methode (FEM) mit ANSYS bzw. nach der Finite Volumen Methode (FVM) für Flüssigkeiten und Gase optimieren wir die Struktur unserer oder Ihrer Konstruktionen nach unterschiedlichsten Kriterien.

So können gewünschte Steifigkeiten und Festigkeiten gewährleistet, unerwünschte Resonanzeffekte ausgeschlossen und der Einfluss der Temperatur ermittelt werden.

Mit Hilfe der CAE-Simulationen reduzieren wir Aufwendungen für Tests, Erprobungen oder etwaige Nachbesserungen, die sich sonst erst aus Praxiserfahrungen ergeben würden.

Gelenkwelle für Untersee-Einsatz

Untersee-Gelenkwelle simuliert

Gesamtverformung, Verformung definierter Teile und Festigkeit möglicher Schwachstellen.

Gelenkwelle für Untersee-Einsatz

Untersee-Gelenkwelle simuliert

Kunde

PTMotion GmbH, Berlin

Umsetzung

Mittels FEM-Simulation wurde die Festigkeit - auch möglicher Schwachstellen - einer Gelenkwelle für die Steuerung eines Untersee-Ventils ermittelt. Simuliert wurden die Gesamtverformung und die Verformung definierter Teile.
Die Gelenkwelle wird im Untersee-Einsatz hoch belastet, ihre Funktionssicherheit ist sehr wichtig. Deshalb wurden zusätzlich experimentelle Untersuchungen auf einem Prüfstand durchgeführt.
Die Ergebnisse der Simulation konnten in den Versuchen erfolgreich bestätigt werden.

Strukturmechanik

In der Strukturmechanik erhalten Sie bei NICO die Ergebnisse folgender FEM Berechnungen:

  • Statisch: Berechnen von Verformungen, Dehnungen und Spannungen einer Struktur unter statischer Last, wobei lineare und nichtlineare Material- und Geometrieverhältnisse möglich sind (so beispielsweise die Simulation von plastischen Biegeprozessen).
  • Modal: Berechnen von Eigenfrequenzen und -formen einer Struktur bei linearen Material- und Geometrieverhältnissen.
  • Harmonisch: Berechnen der Schwingungsantwort harmonisch angeregter Strukturen bei linearen Material- und Geometrieverhältnissen.
  • Beulen: Berechnen von Beullasten und Beulformen bei linearen und nichtlinearen Material- und Geometrieverhältnissen.
Diese Isolatoren tragen mehrere Tonnen Last.

Standfestigkeitsnachweis für Isolatoren

NICO berechnet Verformungen, Knickfestigkeit und Schwingungsverhalten.

Diese Isolatoren tragen mehrere Tonnen Last.

Standfestigkeitsnachweis für Isolatoren

Kunde

IPH Institut Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik GmbH, Berlin

Umsetzung

In einem Hochspannungsprüflabor sollten ein Transformator und eine Drosselspule - je mehrere Tonnen schwer - übereinander, jedoch elektrisch voneinander isoliert angeordnet werden. NICO hat die Standfestigkeit des vorgesehenen Aufbaus nachgewiesen.
Keramische Stützisolatoren sind zwar axial hoch belastbar, doch eine relativ geringe Biegefestigkeit - ein Verkippen ihrer Befestigungspunkte oder ein Aufschwingen könnte fatale Folgen haben. Daher wurden neben den Gestellverformungen und der Knickfestigkeit der Stützen von NICO auch die Eigenfrequenzen des Aufbaus berechnet (Eigenfrequenzen um die Netzfrequenz von 50 Hz hätten zum Versagen führen können). Ergebnis: Die Knickfestigkeit der Stützisolatoren ist ausreichend, die Eigenfrequenzen sind unkritisch. Einschließlich Klärung der Materialkennwerte lag der Aufwand bei weniger als einer Woche. Ein zertifziertes Prüfbüro hat den Berechnungs-Report abgenommen.

Abbildung

Keramische Stützisolatoren

Spannungsschaubild

Entwicklungsaufwand mit FEM gespart

Nachweis von Steifigkeit und Festigkeit durch NICO ersparte dem Kunden hohen Aufwand.

Spannungsschaubild

Entwicklungsaufwand mit FEM gespart

Umsetzung

Bei der Weiterentwicklung eines Maschinenkörpers sollte - bei gleichbleibender Steifigkeit und Festigkeit - Material eingespart werden.
Um Vergleichswerte für neue Gestellvarianten zu erhalten berechnete NICO die Steifigkeiten des bestehenden Maschinenkörpers mit ANSYS. Dabei lagen die Abweichungen der Rechenergebnisse von den gemessenen Verformungen an der realen Maschine bei weniger als vier Prozent.
Die anschließenden FEM-Berechnungen mehrerer neuer Gestellvarianten und deren Topologieoptimierung sowie die Topologieoptimierung des bestehenden Maschinengestells mit ANSYS zeigten unserem Kunden, dass der bestehende Maschinenkörper bereits ein nahezu optimales Masse-Steifigkeits-Verhältnis besitzt.
Mit Hilfe von NICO konnte der Kunde damit den Aufwand bei Konstruktion, Musterbau und Tests dramatisch reduzieren.

Modalanalyse an einem Gussstück

Modalanalyse an einem Gussstück

Ermittlung der Eigenfrequenz durch NICO und Änderungen erlauben maximale Drehzahl.

Modalanalyse an einem Gussstück

Modalanalyse an einem Gussstück

Kunde

NILES Werkzeugmaschinen GmbH, Berlin

Umsetzung

Unser Kunde wollte sicher sein, die Spindel im Gussstück, einem Schleifarm, mit maximaler Drehzahl betreiben zu können, ohne durch Resonanzerscheinungen Qualitätsprobleme zu erhalten.
NICO berechnete mit der FEM Software ANSYS die Eigenfrequenzen des Schleifarms.
Das Berechnungsergebis zeigte, dass die unterste Eigenfrequenz zu nah an der maximalen Erregerfrequenz der Spindel lag. Daraufhin hat NICO gemeinsam mit dem Kunden die Struktur gezielt versteift.
Der optimierte Gusskörper erlaubt es nun, die Spindel ohne die Gefahr von ungewollten Resonanzerscheinungen mit der Höchstdrehzahl zu betreiben.

Thermal

Die thermalen Berechnungen liefern Aussagen zu Temperatur und Wärmestromdichte sowie deren Auswirkung auf die Strukturmechanik aufgrund von Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion.

Die zeitliche Abhängigkeit (transiente Analyse) kann dargestellt werden.

Strömungsmechanik

In der Strömungsmechanik berechnet NICO u.a. Massenströme, Druckverluste und Strömungskräfte strömender Fluide unter Abbildung stationärer wie auch transienter Vorgänge.

Die Strömungssimulation führen wir mit ANSYS Fluent, dem CFD- (computational fluid dynamics)Tool von ANSYS durch.

FEM-Optimierung einer Schweißgasabsaugung vorher/nachher

Absaugkanaloptimierung an 3D Laser

NICO verbessert Leistung bei rapider Masse- und Kostensenkung

FEM-Optimierung einer Schweißgasabsaugung vorher/nachher

Absaugkanaloptimierung an 3D Laser

Kunde

TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, Ditzingen

Umsetzung

Die Abbildung zeigt das Strömungsbild vor (links) und nach der Überarbeitung des Absaugkanals einer 3D Laser Schneid- und Schweißmaschine durch NICO.
Die ursprünglich vorhandenen großen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit über die Länge der Absaugöffnung konnten fast vollständig beseitigt werden. Durch den jetzt weitestgehend gleichmäßigen Gasstrom sind die früher deutlichen Verwirbelungen abgestellt.
Die Überarbeitung brachte auch eine Reduzierung der Masse des mit der X-Achse der Maschine mitfahrenden Absaugkanals um ca. 50% sowie eine Reduzieren der Herstellkosten in der gleichen Größenordnung.

Simulationen sparen späteren Aufwand

Dank hochleistungsfähiger Software erobert NICO neue Anwendungsfelder für FEM-basierte Simulationen. Betriebswirtschaftlich sinnvoll sind die effizienten Simulationen häufig sogar vor der Herstellung von Unikaten.

Typische Einsparpotenziale dank Simulation

Typische Einsparpotenziale eröffnen Simulationen hier:

  • weniger Tests notwendig
  • Erprobungsaufwand sinkt
  • Überdimensionierung wird erspart

Kosten- und Zeitersparnis gehen einher mit verbesserter Produktqualität.

Bessere Lösungen werden möglich

Zugleich erhält der Konstrukteur mehr Freiheit im Entwurfsprozess, kann er doch alternative Lösungen mit wenig Aufwand simulieren.

Mit Hilfe der Simulationstechnik wird dem Konstrukteur die ganzheitliche Betrachtung einer Lösung erleichtert, was verhindert, dass sich mit der Optimierung eines Einzelproblems andere Parameter verschlechtern.

Andererseits ermöglicht häufig erst die Simulation eine ganze Reihe punktueller Verbesserungen und Optimierungen, die beispielsweise zu Masse- und Energieeinsparungen führen.

Mit Simulation optimierte Bahnapplikationen zu Unterflur und Aufdach-Montage.

Dauerschwingfestigkeit im Bahnverkehr

Nachweis höherer Dauerschwingfestigkeit im Bahnverkehr mittels FEM-Simulation

Mit Simulation optimierte Bahnapplikationen zu Unterflur und Aufdach-Montage.

Dauerschwingfestigkeit im Bahnverkehr

Kunde

PCS Power Converter Solutions GmbH (KNORR-BREMSE POWERTECH), Berlin

Umsetzung

Schaltkästen in Hochgeschwindigkeitszügen, S- und U-Bahnen sind enormen Schwingungsbelastungen ausgesetzt.
NICO hat für die Gehäuse für Hochleistungs-Batterieladegeräte (Bild links: zur Unterflur-Montage) und für Bordnetz-Energieversorgungen (Bild rechts: für die Montage auf dem Dach) den Festigkeitsnachweis für statische und dynamische Lasten (für Bauteile, Schrauben, Schweißnähte) mit Hilfe von Simulationen geführt und bei Bedarf notwendige Veränderungen aufgezeigt.
Die FEM-gestützte Simulation erlaubte zugleich den Nachweis der verbesserten Dauerschwingfestigkeit dieser Applikationen im Bahnverkehr - die obligatorischen Tests wurden dadurch eine "reine Formsache".

Abbildung

Container mit elektrischen Komponenten für Schienenfahrzeuge
Links: für Hochleistungs-Batterieladegeräte zur Unterflur-Montage
Rechts: für Bordnetz-Energieversorgungen zur Montage auf dem Dach
Fotos: PCS Power Converter Solutions GmbH, Berlin
www.kb-powertech.com > Batterieladegeräte
www.kb-powertech.com > Bordnetzversorgung

Gezielte Kompetenzentwicklung in FEM

NICO bildet seine FEM-Konstrukteure speziell aus. Kunden erkennen das - neben den optimierten Lösungen - beispielsweise an den buchstäblich konstruktiven Berechnungs-Reports.

Die Vielzahl der FEM-Anwendungen bei NICO häuft einen enormen und weiter wachsenden Erfahrungsschatz an, der die Ergebnisse zusätzlich verbessert.

Normen und Richtlinien

Zur Erfüllung spezifischer Aufgabenstellungen hat NICO bisher u.a. nach folgenden Normen und Richtlinien gearbeitet:

  • DVS 1612:
    Gestaltung und Dauerfestigkeitsbewertung von Schweißverbindungen an Stählen im Schienenfahrzeugbau
  • DVS 1608:
    Gestaltung und Festigkeitsbewertung von Schweißverbindungen an Aluminiumlegierungen im Schienenfahrzeugbau
  • DIN EN 12663-1:
    Bahnanwendungen - Festigkeitsanforderungen an Wagenkästen von Schienenfahrzeugen - Teil 1: Lokomotiven und Personenfahrzeuge (und alternatives Verfahren für Güterwagen)
  • DIN EN 61373, VDE 0115-106:
    Bahnanwendungen - Betriebsmittel von Bahnfahrzeugen - Prüfungen für Schwingen und Schocken (IEC 61373:2010)
  • DIN 25201:
    Konstruktionsrichtlinie für Schienenfahrzeuge und deren Komponenten - Schraubenverbindungen
  • VDI 2230-1:
    Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Zylindrische Einschraubenverbindungen
  • VDI 2230-2:
    Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen - Mehrschraubenverbindungen
  • FKM Richtlinie Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile
 

Kontaktdaten

NICO GmbH
Maschinen & Anlagen
Konstruktion

Wolfener Str. 32-34
Haus C
12681 Berlin

Telefon: +49-30-936688-0
Telefax: +49-30-936688-66

Anfahrt

So kommen Sie zu uns
Anfahrt mit dem PKW
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Anfahrt mit der Bahn
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