Forschungsfeld Konstruktionsbegleitende Simulationsmethoden

Im klassischen Produktentstehungsprozess wurde ein Produkt kontinuierlich durch Erfahrung des Konstrukteurs mit eingesetzten Prototypen entwickelt. Heute wird zumeist eine andere Herangehensweise vorgezogen, in der schon früh im virtuellen Produktstadium eine Vielzahl der relevanten Entscheidungen getroffen werden. Diese greift auf Simulationen zurück, um eben diese Entscheidungen treffen zu können. Von konstruktionsbegleitenden Simulationen wird gesprochen, wenn die Simulationsumgebung direkt an die Konstruktionsumgebung angeschlossen ist. Ein Datenaustausch über neutrale Formate ist nicht zwingend notwendig. Dem Konstrukteur sind somit Werkzeuge gegeben, um das physikalische Verhalten seines Bauteils frühzeitig und während des Konstruktionsprozesses zu überprüfen.

Am Lehrstuhl Rechnereinsatz in der Konstruktion werden Methoden entwickelt, um den Ablauf konstruktionsbegleitender Simulationen zu optimieren und gezielt auf gegebene Problemstellungen anzupassen. Betrachtet wird hierbei der gesamte Simulationsablauf. Der Fokus des Lehrstuhls liegt im Besonderen in dem Bereich der strukturmechanischen, thermischen sowie strömungsmechanischen Simulation und deren Kopplungen untereinander (Multiphysik). Ebenso werden die Bereiche Topologieoptimierung und Mehrkörpersimulation erforscht.

DFG-Forschungsprojekt Integration experimenteller Arbeiten in den rechnergestützten Entwicklungsprozess von Leichtbaukonstruktionen bei gelenkigen Tragstrukturen

Ziel des Projektes war die Integration von Versuchsergebnissen in den rechnerunterstützten Konstruktionsprozess. Dabei sollte besonders die Modellbildung bei in CAD-Systemen integrierten Simulationsprogrammen verbessert und damit die Ergebnisgüte konstruktionsbegleitender Berechnungen erhöht werden.

Im Rahmen des Projektes wurden Simulationsmodelle für die Mehrkörpersimulation des Experimentalsystems REACHRob zunächst in der integrierten Software ProENGINEER/Mechanism und zum Vergleich in der Stand-Alone-Lösung MSC.ADAMS erstellt und anhand von Vergleichsmessungen am realen System validiert. Dabei stellten sich Schwächen in der Berücksichtigung von Gelenkreibung im Programm Mechanism heraus, die nur zu einer bedingt brauchbaren Abbildung des untersuchten Kraftverlaufes führten. Eine deutlich bessere Ergebnisgüte erzielte hier das Programm MSC.ADAMS. Insgesamt liefert jedoch auch Mechanism zufriedenstellende Ergebnisse bei der Ermittlung der auftretenden Maximalkräfte. Da Mechanism als konstruktionsbegleitende Software zunächst der Ermittlung der Maximalkräfte dienen wird, ist die Ergebnisgüte hinreichend gut. Durch die vollständige Integration in die CAD-Umgebung ist darüber hinaus dieses Werkzeug für die Konstruktionsbegleitung geeigneter als das hochkomplexe Programm MSC.ADAMS.

Im Bereich der FEM wurde die optimierte Konstruktion des ersten Tragelementes untersucht. Zu diesem Zweck wurden Simulationen mit verschiedenen Lasthorizonten bevorzugt in dem integrierten Modul ProMECHANICA durchgeführt. Zum Vergleich wurden die Simulationen in der Stand-Alone-Lösung ABAQUS ausgeführt. Die, aus den eingesetzten Mehrfreiheitsgradgelenken resultierenden, Biegung- und Torsionsbelastung stellten eine Besonderheit bei diesen Analysen dar. Die Berechnungsergebnisse von MECHANICA und ABAQUS zeigten sich dabei als nahezu identisch. Parallel dazu wurde ein Komponentenprüfstand für das Tragelement aufgebaut und in Betrieb genommen. Nach einer ersten Grobvalidierung anhand der  höchstbelasteten Stellen in der Analyse und den ersten Anrissen im Versuch erfolgte die weitere Untersuchung anhand aplizierter Dehnungsmessstreifen. Durch Anpassungen im Bereich der Lagerbedingungen und durch Erhöhung der Elementanzahl im Modell konnte hier eine deutliche Ergebnisverbesserung erzielt werden.

Im dritten Schritt erfolgte die Untersuchung der Lebensdauervorhersage anhand der FKM-Richtlinie für den Festigkeitsnachweis von Maschinenbauteilen. Dabei zeigten weder die Berechnungen für geschweißte noch für ungeschweißte Bauteile zufriedenstellende Ergebnisse. Die Ergebnisse waren zum einen unter Berücksichtigung der Betriebssicherheit, zum anderen aus Aspekten des Leichtbaus nicht hinreichend genau. Da in der Vorgabe durch die FKM-Richtlinie die Schweißnahtfestigkeit unabhängig von der Festigkeit des Grundwerkstoffes angenommen wurde, in der Fertigung der Prüflinge jedoch die Herstellerangaben für die Schweißung beachtet wurden, ist die Schweißnahtfestigkeit in Abhängigkeit zur Grundwerkstofffestigkeit gesetzt worden. Durch diese Anpassung wurde auch hier eine zufriedenstellende Ergebnisgüte erzielt.

Kooperationsprojekt mit der Firma SMS Siemag AG, Standort Düsseldorf Machbarkeitsstudie zur thermischen Simulation einer Schmalseiteneinheit für den Strangguss und Variantenrechnung

Eine thermisch/strukturmechanische Simulation von Baugruppen in Creo Simulate kann, bei einer Berücksichtigung von nichtlinearen Einflüssen, nicht ohne weiteres durchgeführt werden. Ein direkter Import der thermischen Belastung in die strukturmechanische Umgebung und die simultane Definition von Kontakten ist nicht möglich, da dadurch die jeweiligen Netze inkompatibel wären.

Ziel des Projektes waren numerische Untersuchungen und Variantenrechnungen an einer Schmalseiteneinheit. Diese wird sowohl mechanisch als auch thermisch belastet. Das System wurde mit Creo Simulate vorgegeben. Dazu wurde eine neue Methodik entwickelt.

Kooperationsprojekt in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner Statische und dynamische Simulation von Staplermodellen

Bei der Entwicklung und Einführung neuer Gabelstaplertypen oder –baureihen sind umfangreiche Untersuchungen bezüglich der Kippsicherheit und Fahrstabilität der Fahrzeuge bei verschiedenen Beladungszuständen anzustellen.
Für die Untersuchung der Kippsicherheit liegen vorgeschriebene Testnormen und Testverfahren vor. Diese Stabilitätstests wurden bei dem Kooperationspartner dieses Projektes bislang als praktische Versuche durchgeführt. Die Versuchsdurchführungen sind jedoch sehr kosten- und zeitintensiv. Zudem können die Untersuchungen erst an einem realen Fahrzeug, also erst bei Vorliegen eines Prototyps vorgenommen werden. Um die Entwicklungskosten zu senken und die Entwicklungszeit zu verkürzen, wurden die genormten Testverfahren in einem Simulationsmodell umgesetzt. Dadurch wurden eine Untersuchung des Stabilitätsverhaltens bereits während des Konstruktionsprozesses und eine frühzeitige Fahrzeuganpassung möglich. Die realen Tests sollten dadurch in ihrer Anzahl verringert und in die Zeit direkt vor der Markteinführung verschoben werden. Bei der Umsetzung dieses Vorhabens wurde auf das CAD-Modell eines bestehenden Fahrzeugtyps zurückgegriffen, um die benötigten Modellparameter zu ermitteln. Darüber hinaus wurde die Validierung der Simulationsergebnisse anhand vorliegender Testergebnisse durchgeführt.