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Simulation: Besser als die Wirklichkeit

Noch bevor Anlagen oder Produkte entstehen, kann man einzelne Elemente, Komponenten und auch das Gesamtsystem virtuell auf deren Tauglichkeit testen. Die Simulationskompetenz der CTR deckt verschiedene Bereiche ab.

Die Schwingungsanalyse eines MEMSChips mittels FEM Simulation kann Aufschluss über das Designverhalten liefern.

Simulationsexpertise bei CTR

Computergestützte Simulationstechniken bilden die Wirklichkeit ab und beschleunigen den Entwicklungsprozess enorm. Die Simulationskompetenz der CTR wird von einem interdisziplinären Team mit Experten aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen getragen. Dieses fachliche Know-how wird gleichermaßen in der Forschung, wie auch zur Lösung anwendungsorientierter Aufgabenstellungen genutzt.

Die umfassende Simulationskompetenz ergänzt insbesondere die Forschungen rund um die Thematik der System Integration, geht es doch darum die Integration einzelner Komponenten in ein höherwertiges Gesamtsystem virtuell und real zu ermöglichen. Dies führt zu mehr Funktionalität und einer verbesserten Leistung. Mit fundierter Simulationsexpertise und entsprechender Software-Ausstattung können Machbarkeitsabschätzungen und Innovationskonzepte im Vorfeld getestet und optimiert werden.

Die CTR Kompetenzen konzentrieren sich auf folgende Simulationsbereiche:

  • optischer Simulation (Ray Tracing, Wellenoptik …),
  • elektromagnetischer Feldsimulation (1D, 3D & transient),
  • CFD-Simulation von Fluiden und Multi-Phasen-Systemen und
  • FEM-Simulation des strukturellen oder thermischen Verhaltens, sowie
  • deren Verknüpfung in Multi-Physikalischen / Multi-Domain-Modellen, vom Mikro-Maßstab bis zu Großgeräten.

Das Expertenteam nutzt dazu spezielle Software, wie Ansys, Comsol, Zemax OpticStudio, LightTrans VirtualLab, CFS++, Simulink, NI Multisim, Octave, Phyton et.a., zumeist in projektspezifischen Kombinationen.

Im Fokus: Statik & Dynamik Expertise

Ein Interview mit Johannes Schicker, Simulationsexperte für mechanische Spannungen, Schwingungsverhalten und Deformationen.

Was versteht man unter FEM-Simulation?
Schicker: Die Finite-Elemente-Methode verwenden wir zur Berechnung der Reaktionen von Festkörpern auf äußere Einflüsse wie Krafteinwirkungen oder Temperaturänderungen. Vereinfacht ausgedrückt ersetzen wir die Geometrie durch eine ähnliche Geometrie aus einer Anzahl einfach geformter Elemente, z. B. Würfelchen, die sich leicht berechnen lassen, und ersetzen dann die Integration über alle (unendlich kleinen = infinitesimalen) Materiepunkte durch eine Summation über unsere (endlich kleinen = finiten) Elemente. Wir erhalten dann die Verformungen und inneren Kräfte oder auch die Temperaturverteilung als Reaktion auf äußere Lasten. Reaktionen von Flüssigkeiten und Gasen lassen sich damit übrigens nicht berechnen, dafür verwenden wir eine ähnliche Methode, die Computational Fluid Dynamics, CFD. Wir können aber beide Methoden miteinander kombinieren.

Wo kann die FEM-Simulation angewendet werden?
Schicker: Im Prinzip überall da, wo feste Materie thermischen oder mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Das reicht von der einfachen Spannungsverformungsberechnung von Bauteilen oder ganzen Bauwerken, Turbinen oder Flugzeugen über Eigenfrequenz-analysen schwingungsanfälliger Komponenten wie Brücken und Hochhäusern sowie Temperaturentwicklung in Mikrochips bis hin zu Versagensanalysen komplexer Komponenten wie z. B. laminierten Schichtwerkstoffen oder auch Stahlbetonbauten bei Erdbeben. Einschränkungen gibt es allerdings dort, wo die Grundsätze der „normalen“ Mechanik nicht mehr gelten, also insbesondere dort, wo die echten Dimensionen zu klein werden und wir die atomare Ebene betrachten müssen.

Welche Vorteile bietet die FEM-Simulation in der Entwicklung und in der Optimierung?
Schicker: Zusammengefasst spart das Kosten und Zeit. Im Gegensatz zu analytischen Berechnungsmethoden kommen wir mit FEM meist relativ schnell und zuverlässig zu einem Ergebnis, auch und gerade dann, wenn die Geometrie etwas komplizierter wird oder mehrere Komponenten oder Materialien zusammenwirken. Wenn wir verlässliche Rohdaten haben, also Daten über das Materialverhalten und die Randbedingungen, können wir oft bereits vorhersagen, wie sich eine Komponente in einer bestimmten Situation verhalten wird, ohne dass zuerst ein Prototyp gebaut werden muss. Wir verwenden dann die CAD-Daten direkt zur Simulation. So lassen sich noch während der Entwicklungsphase Variationen des Designs vergleichen. Vielfach können wir aber auch einfach ein Versuchsszenario durchspielen und zeigen, worauf zu achten ist.

Die FEM-Simulation ist ein computergestütztes Werkzeug – Daten rein und perfektes Ergebnis raus. Läuft das so einfach?
Schicker: Die Softwareindustrie möchte uns das gerne glauben machen, gerade seit Einführung immer ausgereifterer grafischer Benutzeroberflächen. Für einfache elastische Spannungsanalysen mag das vielfach auch gutgehen, jedenfalls dann, wenn der Benutzer Kenntnisse in technischer Mechanik hat. Wobei dann immer noch die Frage der richtigen Interpretation der Ergebnisse bleibt. Ein immer wiederkehrendes Problem in der Praxis stellt die Datenauswahl dar. Auch bei der Wahl der Modellparameter kann man gründlich danebengreifen. Bei einer auf den ersten Blick einfachen Durchbiegungsuntersuchung eines dünnen Plättchens konnten wir beispielsweise Unterschiede in der Durchbiegung von mehreren 100 Prozent berechnen, nämlich von 16 bis 133 % der Plättchendicke. Wie also sieht das richtige Ergebnis aus? Da bei einer Rechnung unter Annahme großer Verformungen die Durchbiegung geringer ausfällt, wäre hier also 16 % das bessere Ergebnis!

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