7 Fragen, die man Anbietern von CAE-Software für Strukturanalyse und Simulation stellen sollte

Shawn Wasserman |
7 Fragen, die man Anbietern von CAE-Software für Strukturanalyse und Simulation stellen sollte

Die richtige CAE-Software (Computer Aided Engineering; dt.: Rechnergestützte Entwicklung) für Ihre Anforderungen zu finden, ist keine leichte Aufgabe. Selbst wenn Sie lediglich an Strukturanalysefunktionen interessiert sind, bieten die verschiedenen Softwarelösungen auf dem Markt jeweils unterschiedliche Möglichkeiten.

Dr. Jan Cervenka, Gründer von Cervenka Consulting, erklärte uns, dass man nur schwer allgemeine Aussagen treffen kann über die Funktionen, die ein Ingenieurbüro bei einer CAE-Software voraussetzen sollte.

„Es hängt von ihren spezifischen Bedürfnissen, Anforderungen und der Art der Strukturen ab, die sie entwerfen oder analysieren“, sagte er. „Grundlegende Kriterien sind jedoch Benutzerfreundlichkeit, Support, Validierung und Stabilität der Software.“

Srinivasa (Ravi) Shankar, Direktor der Abteilung Global Simulation Product Marketing bei Siemens PLM Software, stimmte zu: „Die Fähigkeit der Software, mit den jeweiligen Modelltypen umzugehen, die das Unternehmen für das Design und die Simulation verwendet, ist entscheidend.“

Einige große Organisationen benötigen möglicherweise ein leistungsstarkes „Arbeitspferd“ – eine komplette CAE-Plattform mit einer Fülle von Strukturanalysefunktionen sowie einigen multiphysikalischen Strukturinteraktionsfunktionen, und vielem mehr.

Womöglich ist Ihre Organisation mit den üblichen Verdächtigen der FEA-Struktursimulation bereits gut bedient. Wenn Sie jedoch ein tiefergehendes CAE-Tool benötigen, müssen Sie dem Bedarf Ihrer jeweiligen Abteilung schon etwas genauer auf den Zahn fühlen (Bild mit freundlicher Genehmigung von Bad Hat Harry Productions and Gramercy Pictures).

Anderen Organisationen reicht es womöglich, auf eine erschwingliche Pay-as-you-go-Lösung oder eine CAD-Simulation (Computer Aided Design) zu setzen. Diese konzentrieren sich typischerweise auf die üblichen Komponenten der strukturellen Simulation: lineare statische/transiente Berechnungen, Frequenzganganalysen, nichtlineare statische/transiente Berechnungen und möglicherweise Druckbehälterzeichnung. Wenn dies die grundlegenden Werkzeuge sind, die Sie im Rahmen Ihrer Arbeit benötigen, dann sind die oben genannten Lösungen ein guter Deal.

Unabhängig von Ihrem Budget oder Ihren jeweiligen FEM-Daten (Finite-Elemente-Methode), ist es immer empfehlenswert, sich eine direkte Beratung der Anbieter einzuholen, um das ideale Software-Paket für den jeweiligen Zweck zu identifizieren.

„Die strukturelle FEM birgt das Potential, das Ingenieurwesen auf mehreren Ebenen zu beeinflussen – von Mainstream-Lösungen, die im Zusammenhang mit der Leitung der Produktentwicklung Trends identifizieren und Einsichten liefern können, bis hin zu High-End-Lösungen, die darauf abzielen, den tatsächlichen Daten aus der realen Welt zu entsprechen“, erklärte Vikram Vedantham, Senior Manager im Bereich Simulation Business Strategy bei Autodesk. „Die Auswahl der Merkmale und Funktionen ist abhängig vom Zeitpunkt des Einsatzes, den involvierten Personen, der benötigten Tiefe, den jeweiligen Objektgeometrien, der Art des gewünschten Designentwurfs, dem jeweiligen Anwendungsfall sowie der Größe des Unternehmens.“

Womit fängt man also an?

  1. Ist die Simulationssoftware in der Lage, alle erforderlichen Berechnungen durchzuführen?

Lineare Statik ist schön und gut, aber wann benötigen Sie mehr? Niemand kann diese Frage besser beantworten als Ihre eigene Organisation – unter Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung des Unternehmens Autodesk Nastran, CAD-Simulation. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Autodesk.)

Schauen Sie sich zunächst die Branchentrends und grundlegenden Analysefunktionen im Bereich CAE an. Entscheiden Sie, welche für Sie relevant sind und vergleichen Sie dann die verschiedenen Softwarepakete für strukturelle FEM-Simulation, um das ideale Produkt für Ihre jeweiligen Bedürfnisse zu ermitteln.

Wenn sich Ihr Unternehmen im Wachstum befindet, dann ziehen Sie in Betracht, dass Sie in der Zukunft möglicherweise eine robustere Simulationsplattform mit zusätzlichen Funktionen benötigen werden, die Ihnen zum gegenwärtigen Einkaufszeitpunkt womöglich überflüssig erscheinen mögen.

Branchentrends vermitteln Ihnen einen wertvollen Eindruck davon, wie sich die CAE-Branche durch den sich wandelnden Bedarf anderer Organisationen verändert. Diese sich verändernden Bedürfnisse könnten in Zukunft auch in Ihrer Organisation zum Tragen kommen.

Nehmen wir zum Beispiel den Boom der 3D-Druck-Technologie. Ihre Organisation setzt diese relativ neue Produktionstechnologie möglicherweise zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ein, aber anzunehmen, dass sie es nie tun wird, ist möglicherweise eine Fehleinschätzung.

Bjorn Sjodin, VP Produktmanagement bei COMSOL, erklärt, warum man auf jeden Fall CAE-Software in Erwägung ziehen sollte, die mit additiven Fertigungstechnologien kompatibel ist:

„Additive Fertigung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Daraus ergibt sich ein Bedarf nach einer breiten Palette von Simulationswerkzeugen, die im Rahmen der Simulation additiver Fertigungsvorgänge eingesetzt werden können. Da es sich um eine noch recht junge Industrie handelt, müssen Simulationswerkzeuge breit angelegt und erweiterbar sein, um alle neuen Fertigungsverfahren in diesem Bereich abdecken zu können, da sich die Technologie ständig weiterentwickelt.“

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Funktionen Sie in Zukunft benötigen werden, dann wählen Sie eine FEM-Software mit einer Pay-as-you-go-Option oder eine, die in Ihr CAD-Tool integrierbar ist. Diese haben in der Regel einen niedrigeren Preis und Lizenzen, die kein Klotz am Bein darstellen, falls Sie sich entscheiden, einen anderen Weg zu gehen.

 

  1. Ist die Materialbibliothek der CAE-Software anpassbar und umfasst sie Verbundwerkstoffe?

Verbundwerkstoffe sind heutzutage überall. Beschränken Sie nicht Ihre Möglichkeiten, mit diesen Materialien arbeiten zu können, falls nötig. Visualisierung des Lagenquerschnitts eines Verbundwerkstoffs in HyperWorks’ HyperMesh. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Altair.)

In der stetig wachsenden CAE-Welt ist es von großer Bedeutung, auf Simulationswerkzeuge zu setzen, die eine gewisse Flexibilität in Bezug auf die Materialdatenbank bieten.

„Die Manipulation von Werkstoffen zur Erfüllung diverser Designanforderungen wird allmählich zum Standard“, erklärte uns Richard Mitchell, leitender Manger im Bereich Produktmarketing bei ANSYS. „Die Eigenschaften und das Verhalten dieser Materialien zu berücksichtigen, ist für die Optimierung der Leistung und Verlässlichkeit neuer Konstruktionen und Designs unerlässlich.“

Mitchell bemerkte, dass die Anzahl der verschiedenen in Simulationen verwendeten Materialien steil ansteigt. Alle möglichen Komponenten und Objekte – von menschlichen Körperteilen bis hin zu Steinen, Holz, Elastomeren und vielen mehr- werden modelliert. Ingenieure benötigen umfangreiche Materialbibliotheken, um derartige Simulationen durchführen zu können.

Darüber hinaus müssen die Anwender ihre eigenen Materialeigenschaften definieren können, um die jeweiligen technischen Werkstoffe und Verbundwerkstoffe realitätsgetreu darstellen zu können.

Wenn Sie neue Materialien in Ihre Simulationen einbeziehen, gibt es zwei Denkschulen: Entweder Sie testen die Materialien in der realen Welt oder Sie simulieren die Komponente bzw. den Verbundwerkstoff, um seine Eigenschaften virtuell zu bestimmen.

„Die Neudefinition von Verbundwerkstoffen ist bei den meisten Softwarelösungen sehr komplex und nimmt viel Zeit in Anspruch“, erklärte uns Vikrant Srivastav, Assistenzingenieur für FEM-Anwendungen bei SimScale. „Delamination bspw. ist besonders schwer zu simulieren und bei hohen Verformungsgraden nicht wirklich verlässlich modellierbar. Derartige Herausforderungen lassen sich jedoch durch gute Software-Designs und/oder Modellvereinfachung meistern.“

Die Herausforderung bei der Definition eines Verbundwerkstoffes auf der Basis von Experimenten besteht darin, dass diese Materialien anisotrop sind. Das bedeutet, sie haben unterschiedliche Materialeigenschaften entlang verschiedener Richtungen und Lastpfade, während die meisten anderen in Simulationen verwendeten Materialien isotrop sind, d. h. sie verhalten sich entlang aller Richtungen gleich. Dies erschwert die Prüfung ersterer, insbesondere im Zusammenhang mit der Geometrie der Komponenten.

„Bei der Modellierung anisotroper Materialien müssen Sie die Materialorientierungen definieren, und es kann je nach Art des Verbundwerkstoffes zu komplizierten Vernetzungen und Aufteilungen in der Geometrie kommen, die im Rahmen der Vorverarbeitung auftreten können“, erklärte Vedantham.

Experten wie Dominique Lefebvre, Leiter des Produktmanagements bei der ESI Group, argumentieren, dass die Simulation des Herstellungsprozesses der einzige Weg ist, um die Materialeigenschaften eines Verbundwerkstoffes wirklich zu erfassen.

„Die Herstellungshistorie, die aus ihr resultierenden Eigenschaften und die Endverarbeitung sollten im Detail aufeinander abgestimmt werden, um das Verhalten von Verbundwerkstoffen oder Verbundwerkstoff-Metall-Kombinationen genau zu simulieren“, so Lefebvre.

Brent Lancaster, leitender Support-Techniker bei ESRD, fügte hinzu: „Wenn die Faserrichtungen diskontinuierlich sind, werden auch die Spannungen/Dehnungen an diesen Stellen diskontinuierlich und ihr Verhalten daher kaum detailliert analysierbar und vorhersehbar sein. Es ist also wichtig, FEM-Werkzeuge zu identifizieren, die sehr dünne Strukturen mit hohen Detailgraden unterstützen, wie sie für eine Schicht-für-Schicht-Analyse erforderlich sind, und die Materialorientierung kontinuierlich darstellen können. Diese Tools müssen auch über die Fähigkeit zur Lösungsüberprüfung verfügen, um präzise Lösungen und Maßnahmen zu gewährleisten.“

Um es kurz zu machen: Ob die Herstellung mittels Schicht-für-Schicht-Druck oder Spritzguss erfolgen soll, die Ingenieure müssen wissen, wie die Fasern und Gewebe der Materialien ausgerichtet sind. Dies erfordert Überlegungen auf verschiedenen Ebenen und und eventuell konkrete experimentelle Ansätze. In jedem Fall ist die Fähigkeit, Material- und Materialfehlerbibliotheken zu erweitern, eines der wichtigsten zu berücksichtigenden Kriterien im Zuge Ihrer Kaufentscheidung.

  1. Verfügt die CAE-Software über eine einfache Benutzeroberfläche oder andere vereinfachende Elemente (Democratization Tools)?

Simulationsanwendungen können ein kleines Tool in CAE-fremde Umgebungen exportieren, mit dem Laien herumspielen können, ohne sich größere Sorgen über die Folgen machen zu müssen. Der CAE-Experte legt dabei die Autorisierungen und Grenzen der Anwendung fest. Dies wird dazu führen, dass mehr Menschen in der Branche die Möglichkeiten der Simulation werden nutzen können. Eine Simulationsanwendung, die cloudbasiert auf dem COMSOL-Server läuft. (Bild mit freundlicher Genehmigung von COMSOL.)

Wenn Sie sich regelmäßig auf CAE-Konferenzen aufhalten, werden Sie von Marketingmenschen immer wieder die Begriffe „User Experience“ und „Democratization“ hören.

Die Idee dahinter ist, dass die meisten Simulationswerkzeuge viel zu komplex sind. Dieser Tatsache steht die Hoffnung entgegen, dass neue Tools bzw. Möglichkeiten zur Vereinfachung komplexer CAE-Lösungen die Anzahl der Nutzer von Simulationen deutlich erhöhen werden.

„Die Unternehmen müssen den Einsatz von FEM-Werkzeugen erleichtern, was den Zeitaufwand der entlang des Prozesses arbeitenden Analysespezialisten verringern wird“, sagt Jose Coronado, Produktmanager für die Fertigungs- und Simulationssoftware Creo von PTC. „Die FEM-Software sollte einen simulationsgesteuerten Entwurfsprozess ermöglichen. Es sollte ein Werkzeug sein, das es jedem Ingenieur/Designer ermöglicht, frühzeitig Sensitivitätsanalysen durchzuführen, Trade-Offs zu analysieren, überschüssiges Material zu entfernen, Optimierungsalgorithmen zu nutzen und einiges mehr.“

Shankar pflichtete ihm bei und fügte hinzu: „Da in den meisten Unternehmen die Zahl der Konstrukteure die Zahl der CAE-Spezialisten bei weitem übersteigt, besteht die Notwendigkeit, Methoden zu erforschen, anhand der immer mehr Konstrukteure Simulationsaufgaben übernehmen können, um beim Entwurfsprozess selbst behilflich zu sein.“

Wenn Sie also ein Designer sind, für den CAE Neuland ist, und Sie sich für ein CAE-Tool interessieren, dann sind „demokratisierte“ Varianten wohl die richtige Wahl.

Diese demokratisierten Tools kommen typischerweise in Form einer eher sandbox-artigen Simulation in einer CAD-Umgebung oder spezifischeren Varianten wie Simulationsanwendungen, Simulationsvorlagen und aufgabenspezifischen Simulationswerkzeugen vor.

In-CAD-Simulation bietet eine vertraute allgemeine Umgebung für Konstrukteure, während Apps, Templates und aufgabenspezifische Tools für ein Team von Anwendern entwickelt wurden, die an einer bestimmten Art von Simulation oder Aufgabe arbeiten.

„Vertikale Anwendungen und virtuelle Assistenten in der Software können dazu beitragen, dass Konstrukteure im Rahmen ihrer Simulation zuverlässig und sicher arbeiten können“, sagt Mitchell.

Der große Haken beim Einsatz solcher Tools ist, dass er die Fehlerrate erhöhen kann, da er Laien Zugang zur komplexen CAE-Welt verschafft. Leider können die Entwickler, die mit der Erstellung dieser Anwendungen, Templates und aufgabenspezifischen Tools beauftragt sind, nicht alle möglichen Eingabekombinationen antizipieren, die zu Fehlern in der Simulation führen können.

„Was wir brauchen, ist mehr Intelligenz und Funktionalität in der Analyse, um Anwenderfehler zu vermeiden. Konkret bedeutet das erweiterte Analysefunktionen und mehr Flexibilität“, so Cary O’ Connor, Vice President im Bereich Marketing bei IronCAD. „Zum Beispiel sind bei Konstruktionen in großem Maßstab automatische Teil-zu-Teil-Kontaktsimulationen bzw. automatisierte Analysen ohne Benutzereingriff erforderlich.

Wird die Demokratisierung angesichts der erhöhten Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler die Zahl von Simulationsanwendern tatsächlich steigern können? Werden potentielle Nutzer solche Software aus Angst vor Fehlern eher meiden? Oder kann sie eine Chance darstellen, insbesondere im Hinblick auf den Anwendungsbereich Ihres eigenen Unternehmens?

Entgegen dem Branchenglauben konstatiert Reinhard Helfrich von INTES, dass das Demokratisierungskonzept nicht neu und in der Vergangenheit bereits gescheitert sei. Er erinnert sich an eine Zeit, in der es hieß, dass die Simulationen eines Ingenieurs eines Tages von Sekretärinnen durchgeführt würden. Für Helfrich ist Demokratisierung kaum mehr als ein Schlagwort, um die Werbetrommel für das CAE-Business zu rühren.

Lancaster hingegen hat eine moderatere Position diesbezüglich:

„Das Ziel der Demokratisierung von Simulationen für eine stärkere Nutzung durch Laien, wie z. B. Konstrukteure, ist zwar denkbar, aber angesichts der Komplexität und Fragilität althergebrachter FEM-Methoden und -Codes nur sehr schwer realisierbar. Die Demokratisierung von Simulationsanwendungen kann nur dann sicher und zuverlässig erreicht werden, wenn ein neues Rahmenwerk verwendet wird, das auf soliden, wissenschaftlichen Berechnungen mittels numerischer Simulation und weniger auf der Kunst und dem Handwerk der Finite-Elemente-Modellierung beruht, die im Laufe der letzten vier Jahrzehnte praktiziert wurde.“

Sie sind nicht von Democratization Tools überzeugt oder denken, dass Sie sie nicht brauchen? Die Chancen stehen gut, dass selbst die erfahrensten Simulationsanwender irgendwann einmal ein (oder zwei) Fragen zu ihrer FEM-Software haben werden.

Wenn Sie sich vom Gedanken demokratisierter Simulationen abgewendet haben, sollten Sie dann vielleicht alternativ nach einer Anwendung mit einer aktiven Nutzer-Community suchen, die Ihr Team bei der Arbeit unterstützen kann. Solche Online-Communities können im Rahmen von Foren, YouTube-Tutorials, Reddit-Threads u.v.m. wertvolle Informationen bieten.

Manchmal erweist es sich als schwierig, direkt vom Anbieter adäquaten Support zu erhalten. In einem solchen Fall können Sie natürlich das allsehende Auge von Google befragen. Es ist möglich, dass Ihre Frage bereits in einer aktiven Online-Community beantwortet wurde, und sehr wahrscheinlich werden Sie online jemanden ausfindig machen können, der Ihr Problem lösen kann. Dieser Aspekt kann einen Unterschied bei der Löung von Problemen und der Einhaltung knapper Fristen machen.

 

  1. Welche benutzerfreundlichen Vernetzungstools stehen im Rahmen der CAE-Software zur Verfügung?

Vernetzung von Merkmalen und Kurven wird durch Automatisierungsfunktionen erleichtert. (Bild mit freundlicher Genehmigung von ANSYS.)

Eine der womöglich schwierigsten Simulationsaufgaben ist es, ein Simulationsnetz zu realisieren, das adäquate Ergebnisse produziert. Ingenieure, die manuell an ihrem Netz arbeiten, können etliche Tage an diesen Prozessschritt verlieren.

Allerdings kann die derzeitige Technologie dazu beitragen, den Trial-and-Error-Prozess, der mit der Netzdimensionierung und -verfeinerung verbunden ist, so klein wie möglich zu halten.

„Funktionen automatischer Netzabstimmung helfen dabei, das Simulationsnetz in Bereichen mit feinen Details, kleinen Lücken, großen Krümmungen etc. zu verfeinern, um minderwertige Simulationselemente von vornherein auszuschließen“, so Mitchell. „Adaptive Vernetzung hilft also bei der Verfeinerung des Netzes im Zuge der Simulation. Wenn Elemente bestimmte Grundwerte oder bestimmte Mindestqualitäten unterschreiten, verzerren sie die Simulation.“

Ein automatisches Vernetzungstool kann das gesamte Netz überarbeiten oder sich auf einen bestimmten Bereich konzentrieren. Auf diese Weise können Ingenieure den rechnerischen Aufwand der Simulation niedrig halten, indem sie ein möglichst dichtes Netz an der Stelle kreieren, an der sie interessiert sind.

„Durch die automatisierte Verfeinerung können z.B. Bereiche mit unerwartet hoher Belastung aufgedeckt werden, die bei einer ersten Analyse nach der manuellen Erstellung des Netzes übersehen wurden“, erklärte Sjodin.

Dale Berry, Senior Technical Director bei Dassault Systèmes SIMULIA, erklärte uns, dass diese fortschrittlichen Technologien Laien und Konstrukteuren ermöglichen, Simulationen auszuführen und dabei genaue Ergebnisse zu erhalten, ohne Vernetzungsexperten sein zu müssen.

Selbst in einem automatisch generierten Netz können jedoch Fehler auftreten.

„Adaptive und automatische Vernetzung befreien den Anwender von der Notwendigkeit, zu bestimmen, welche Bereiche womöglich eine Netzverfeinerung zwecks Erzielung eines verlässlichen Ergebnisses benötigen, sie können aber auch vereinzelt Singularitäten in einem Modell erzeugen“, warnte Uwe Schramm, CTO von Altair. „Es ist also Vorsicht und technisches Urteilsvermögen geboten, um eine Entscheidung darüber treffen zu können, ob eine automatische Verfeinerung wünschenswert ist oder nicht.“

Obwohl die automatische Vernetzung auch Singularitäten erzeugen kann, kann sie verhindern, dass ein Netz erstellt wird, das eine halbe Ewigkeit zur Berechnung bräuchte und den Designprozess damit deutlich erschweren würde. Solche Schneckentempo-Berechnungen können durch sehr große Netze oder Fehler in einzelnen Elementdefinitionen verursacht werden.

Die gute Nachricht ist, dass Sie kaum eine CAE-Software finden werden, die nicht zumindest eine Variante benutzerfreundlicher Vernetzung bietet.

„Automatische Vernetzung ist heutzutage der gängige CAE-Standard mit seinen automatisierten, geometrischen Verfeinerungsfunktionen“, sagt O’ Connor. „Adaptive Vernetzung hingegen wurde schrittweise durch die automatische Netzverfeinerung ersetzt und wird heute kaum noch im Rahmen von Konstruktionsanalysen verwendet.“

Zusätzlich verringern Solver- und High-Performance-Computing (HPC)-Technologien die Notwendigkeit eines perfekt generierten Netzes.

„Es gibt bestimmte Situationen, in denen hohe Beuleffekte eine Gitterverfeinerung erfordern“, sagte Schramm. „Andererseits reduzieren moderne Solver, die auf eine HPC-Umgebung mit einem feinmaschigen Netz abgestimmt sind, den Bedarf an adaptiver Vernetzung.“

Aufgrund der hohen Kosten hat leider nicht jeder Simulationsanwender Zugriff auf High-End-Solver oder -HPCs. Für diese Anwender ist die automatische Vernetzung eine gute Alternative.

Eine Alternative zu benutzerfreundlichen Vernetzungswerkzeugen ist Simulationssoftware, die auf P-Elementen basiert. Anstatt Netzverfeinerungen durchzuführen ändern Simulationstools wie Creo Simulate oder ESRD den Freiheitsgrad der einzelnen Polynome, die ein Element definieren. Das erlaubt es Ingenieuren hochpräzise Simulation mit relativ groben Netzen zu erstellen.

„Die P-Element-Technologie und die automatische Vernetzung machen es überflüssig, Elementtypen genau zu verstehen“, argumentierte Coronado. „Neben vielen weiteren Vorteilen, generieren sie das Netzmodell automatisch, erfassen Geometriekonturen hochpräzise und verfeinern das Netz während des Generierungsprozesses eigenständig.“

  1. Kann das FEM-Tool mit internen und externen IoT-, PLM-, 3D-Druck-, CAD- und anderen Anwendungen integriert werden?

Plattformen wie 3DEXPERIENCE integrieren Simulationen mit vielen Nicht-CAE-Tools aus dem Portfolio von Dassault Systèmes. Dies sowie die Integration von Drittanbietern werden an Bedeutung zunehmen, da sie das Potential interessanter Synergieeffekte zwischen Technologien erhöhen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Dassault Systèmes).

Simulation an sich ist schon ein mächtiges Tool. Wenn sie dann zusätzlich noch mit anderen zukunftsweisenden Technologien integriert wird, hat sie das Potential, bald eine unverzichtbare Technologie zu werden.

„Digitalisierung ist ein Trend, der sich auf viele Branchen auswirkt“, erklärte Berry. „Simulationspraxis und -werkzeuge müssen mit diesem Trend Schritt halten. Simulationsdaten, -methoden, -verfahren und -ergebnisse müssen mit den neuen Bedingungen des digitalen Zeitalters kompatibel gemacht werden. Dies erfordert tiefergehende Überlegungen in Bezug auf die Rolle der Simulation im Unternehmen und die Werkzeuge, die zur Durchführung dieser Simulation eingesetzt werden.“

Tools und Technologien wie das Internet der Dinge (IoT), Digital Twins, (PLM), CAD, Augmented/ Virtual Reality (AR/VR), Systems Engineering und 3D Printing können durchaus interessante Symbiosen mit Simulation eingehen.

Schramm wies darauf hin, dass dank des Internets der Dinge physikalische Daten von Sensoren erfasst und in Echtzeit durch Simulationen genutzt werden können. „Das ist das Bahnbrechende an Simulationen in Verbindung mit Datenanalyse“, sagte er. „Konstruktionsentscheidungen sowie Entscheidungen im Bereich Wartung und Instandhaltung können damit nicht nur auf Basis von physischen Inspektionen, sondern auf der Grundlage von Daten getroffen werden, die während des laufenden Betriebs erfasst werden. Ein Simulationsmodell wird mit physikalischen Daten kombiniert und bildet so eine Wissensbasis für die Ausrichtung zukünftiger Konstruktionsprojekte sowie für laufende Wartungsaufgaben.“

Lefebvre stimmte zu und schwärmte über die „Kombination von Big Data und Algorithmen im Bereich Machine Learning mit CAE-Anwendungen“ und die „Kopplung von CAE-Analyse und Datenerfassung im laufenden Betrieb zugunsten von Predictive Maintenance und anderer In-Process-Anwendungen“.

Divesh Mittal, Senior Project Engineer bei Engineering Technology Associates, Inc. (ETA), bemerkte diesbezüglich, dass es eine gute Initiative wäre, Systems Engineering mit der Welt der Datenanalyse stärker zu vernetzen, und meinte, dass modellbasiertes Systems Engineering es Projektteams ermöglichen wird, Änderungen effizienter zu managen, um korrekte Updates und Nachvollziehbarkeit sicherzustellen.

Lefebvre stimmte zu und ergänzte: „Es ist jetzt möglich, realistische 3D-Modelle auf der Ebene des Systems Engineering miteinander zu koppeln, wenn Komponenten oder Subsysteme eines Produkts im Rahmen eines anderen wiederverwendet werden. Dadurch können realistischere Modelle in einem viel früheren Stadium des Produktdesigns verwendet werden.“

Simulationswerkzeuge sollten also nicht isoliert existieren und arbeiten, sondern eher einen verbindenden Eckpfeiler Ihrer Software-Strategie darstellen.

  1. Wie skalierbar/ kompatibel sind die Solver und User Collaboration Tools der Software mit HPC und der Cloud?

Wenn die Berechnungen anspruchsvoll werden, dann nutzen Sie die Cloud oder HPC. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Rescale.)

Manchmal fehlt es Arbeitscomputern an der Leistung, die Ingenieure benötigen, um eine Simulation großen Maßstabs durchzuführen. In diesem Fall sind HPC und/oder die Cloud das Mittel der Wahl, um die Rechenleistung zu boosten.

Theoretisch hilft HPC Ingenieuren dabei, Simulationen schneller zu bewältigen. Es gibt ihnen außerdem die Möglichkeit, die Komplexität einer Simulation zu erhöhen, im Falle eines größeren Netzes oder einer multiphysikalischen Ausrichtung – bei gleichzeitiger Erhaltung eines schnellen Turnarounds.

Ein Mehr an Rechenleistung bedeutet jedoch nicht zwingend ein Mehr an Schnelligkeit. Das rührt oft daher, dass manche Solver nicht so leicht mit HPC skalierbar sind wie andere. „Da die Modelle immer größer werden und die Genauigkeit der Lösungen immer wichtiger wird, ist die Skalierbarkeit der eingesetzten Softwarelösungen äußerst wichtig. Wir legen im Rahmen unserer F&E-Aktivitäten Wert darauf, dass unsere Lösungen effektiv mittels HPC skaliert werden können“, so Shankar.

Wenn Sie planen, HPC zu verwenden, sollten Sie daher am besten die Hersteller fragen, inwieweit und wie genau ihre Software mit Hilfe zusätzlicher Rechenleistung skaliert werden kann. So können Sie sicherstellen, maximale Zeitvorteile zu realisieren und gleichzeitig die günstigste HPC- oder Cloud-Option zu nutzen.

Wenn die Software leicht mit zusätzlicher Rechenleistung skalierbar ist, werden Sie im Zuge des Simulationsprozesses deutliche Zeiteinsparungen verzeichnen, und zwar an Stellen im Prozess, an denen sie es nicht erwarten würden.

„Eine der weniger offensichtlichen Zeiteinsparungseffekte ist, dass weniger Zeit für die Bereinigung der Modelle und die Vereinfachung der Geometrien aufgewendet werden muss“, so Mitchell. „Mehr Rechenleistung bedeutet, dass größere Modelle ausgeführt werden können, ohne dass dies einen allzu großen Einfluss auf den Solver-Zeitaufwand hätte.“

Leider hat nicht jeder Zugang zu HPC, da der Erwerb der entsprechenden technischen Infrastruktur ein sehr kostspieliges Unterfangen sein kann. Hier kommt die Cloud, insbesondere Pay-as-you-go-Angebote oder Software-as-a-Service-Modelle, zum Tragen. Die Cloud kann auch eventuell bereits vorhandene HPC-Systeme ergänzen. Viele Cloud- und HPC-Server-Optionen beinhalten außerdem Funktionen für die Datenspeicherung in öffentlicher oder privater Form.

„Alle Vorteile der Cloud lassen sich auch auf CAE-Lösungen anwenden, insbesondere Thin Clients und der browserbasierte Zugriff auf leistungsfähige Engineering-Analysetools, die beide Teil eines breiten Spektrums an On-Demand-Ressourcen sind“, so Coronado.

Aber bei der Cloud geht es Vedantham zufolge nicht nur um Rechenleistung und Datenspeicherung: „Die Verarbeitung und Speicherung von Daten sind nützliche Nebeneffekte, aber in der Simulation können wir das meiste mit einem anständigen Desktop-Gerät bewältigen. Die wirklichen Vorteile liegen in den Kollaborationsmöglichkeiten, den kontinuierlichen Updates, neuen Geschäftsmodellen und den Sicherheitsvorteilen.“

Leider vertraut nicht jeder den Sicherheitsvorteilen der Cloud. „Viele Unternehmen sind immer noch zögerlich, wenn es darum geht, Cloud-Ressourcen für sensible Daten und Modelle zu nutzen“, so Mitchell.

Schramm hingegen argumentierte, dass die Cloud „erhöhte Zugänglichkeit zu Rechenressourcen, größere Flexibilität und bessere Datensicherheit“ böte.

Lefebvre bemerkte: „Wenn größere Unternehmen immer noch vorsichtig mit der Nutzung der öffentlichen Cloud umgehen, weil sie Cybersicherheitsbedenken haben, könnten private Cloud-Lösungen eine Alternative darstellen und eine gute Portion Flexibilität im Rahmen ihrer Simulationsaktivitäten mit sich bringen.“

Schramm prognostizierte weiter, dass „Stand-Alone- und Cloud-Ressourcen sich in Zukunft zunehmend vermischen und ihre Grenzen verschwimmen“ würden. Es würde dann kaum einen Unterschied zwischen diesen beiden mehr geben. Die Cloud sei „eine logische Entwicklung der Vernetzung von Computerressourcen.“

Bei der Nutzung der Cloud gilt es zu beachten, dass die Übertragung von Daten zwischen großen Datenpaketen viel Zeit in Anspruch nimmt. Mitchell argumentierte, dass „große Dateien beim Herunterladen von Modellen eine Herausforderung darstellen. Schließlich ist eine 5-TB-Modelldatei ein anderes Kaliber als eine 5-GB-Filmdatei.“

Im Hinblick darauf konstatierte Helfrich: „Der Einsatz von Cloud-Services macht nur Sinn, wenn alle Produktdaten von Konstruktions- bis hin zu CAD-, FEA-  und allen anderen Simulationsdaten auf der Cloud gespeichert sind. Auf diese Dateien sollte ohne Notwendigkeit eines direkten Transfers der Datenpakete selbst von lokalen Computern aus zugegriffen werden können.“

Die meisten Experten sind sich jedoch einig, dass die Zukunft von Cloud-Lösungen in der CAE-Welt rosig ist.

„Es ermöglicht Ingenieurteams ohne spezielle IT-Infrastruktur, ohne HPC-Systeme und ohne zusätzliche Hardwarebeschränkungen, mit jedem anderen Ingenieurbüro konkurrieren zu können“, so Lancaster. „Es ebnet das Spielfeld in logistischer Hinsicht. Außerdem profitieren Software-Evaluationsprozesse in hohem Maße von der Cloud, da keine Lizenz oder Installation erforderlich ist, um die Software zu testen.“

Srivastav glaubt, dass eine Nichtnutzung der Cloud nur die Abhängigkeit von begrenzten RAM- und Speicherkapazitäten erhöhen wird.

„Die Benutzer müssen jedes Software-Update selbst herunterladen und installieren“, erklärte Srivastav. „Dies macht den Prozess anfällig für Fehler und der Benutzer muss Hardware kaufen und aktualisieren, sobald die Projekte größer werden oder die Hardware veraltet ist. Außerdem ist der Benutzer an einen physischen Speicherort bzw. eine physische Recheneinheit gebunden, um das CAE durchzuführen. All dies kann umgangen werden, indem man die Cloud als Standard in seinem CAE-Prozess verwendet.“

Bei der Suche nach geeigneten Cloud- und CAE-Lösungen empfiehlt Bjorn Sjodin, Vice President im Bereich Produktmanagement bei COMSOL, dass die Anwender den Softwarelizenzvertrag in Erwägung ziehen, um sicherzustellen, dass die Software im Rahmen von Cloud Computing und eventueller anderer Netzwerkanwendungen genutzt werden darf.

 

  1. Umfasst die Software Tools im Bereich Optimierung, Entwurfsraumexploration und/ oder Generative Design?

Die Topologieoptimierung gibt Ingenieuren eine Ausgangsbasis, die auf der bestmöglichen Form eines Objekts basiert, basierend auf den Lastpfaden und dem Bauraum. Durch den 3D-Druck sind viele dieser optimalen Formen mittlerweile realisierbar. Das Topologieoptimierungstool Inspire Unlimited (Bild mit freundlicher Genehmigung von solidThinking.)

Optimierungstools und Konzepte wie Entwurfsraum-Exploration, statistische Versuchsplanung (engl. Design of Experiment, DoE) sowie generative Design-Tools, wie z. B. Topologieoptimierung, gibt es schon seit einiger Zeit. Was fehlte, waren die notwendigen unterstützenden Technologien, um die Möglichkeiten dieser Werkzeuge zum Leben zu erwecken.

„Alle Methoden der Optimierung, einschließlich Sampling, Sizing, Topologie- und Formoptimierung sowie Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung zwecks robustem Design werden immer wichtiger werden“, so Helfrich. „Ein nicht-optimiertes Produkt herzustellen, wird einen deutlichen Nachteil für Hersteller bedeuten.“

Die wichtigste Voraussetzung zur umfassenden Etablierung von DoE und parameterbasierten Optimierungstools ist die Verbreitung der HPC-Technologie. Doch nicht nur die Rechenleistung müssen Ingenieure beachten, wenn es um die Verwendung von Optimierungstools geht. Sie müssen sicherstellen, dass jeder Designschritt auf fundierter technischer Grundlage erfolgt.

„Wenn während des Optimierungsprozesses eine Kontrolle des numerischen Fehlerspektrums gewährleistet ist, d. h. jeder Lösungsschritt durch Konvergenz der relevanten Daten verifiziert werden kann, bevor zum nächsten Optimierungsschritt übergegangen wird, dann ist diese Art von Tools von enormem Wert“, sagte Lancaster. „Die Entscheidungen, die von solchen Tools getroffen werden, unterliegen immer noch den von den Ingenieuren aufgestellten Konstruktionsanforderungen. Ohne klare Zielvorgaben und Mindestkriterien kann die Optimierungssoftware also ihre Aufgabe nicht ausreichend erfüllen.“

Die größte Herausforderung bei Generative Design Tools hingegen war bislang die Machbarkeit der von den Tools generierten, organisch anmutenden Objekte. Glücklicherweise können mit der Entwicklung der 3D-Drucktechnologie viele – wenn auch nicht alle – dieser Designs nun realisiert werden.

Es gibt zwei typische Anwendungsfälle für Topologie-Optimierungswerkzeuge: Der erste besteht darin, ein Design von Grund auf neu zu entwerfen, wobei nur ein 3D-Raum, Grenzbedingungen und Lasten verwendet werden. Der zweite Fall besteht darin, ein existierendes Design zu verwenden, das mit Mängeln behaftet ist oder ein Lightweighting benötigt, und es für den 3D-Druck zu überarbeiten.

„Topologie und Formoptimierung sind sehr wichtig und hilfreich bei der Identifizierung fehlender Lastpfade“, bemerkte Mittal. „Entsprechend hilfreich sind sie, um Potentiale in Bezug auf Gewichtsreduktion und Leistungsverbesserung zu nutzen.“

Bei der Topologieoptimierung basiert ein Großteil des generativen Designs auf der Strukturphysik und den jeweiligen Lasten.

Schramm prognostizierte, dass mit zunehmender Popularität dieser Werkzeuge sowohl die Anbieter als auch die Nutzer immer mehr physikalische und produktionstechnische Beschränkungen im Zuge der Erstellung von Benutzerdesigns bewältigen werden. Dies wird unweigerlich eine bessere Wissensbasis für Ingenieure schaffen, von der sie sich inspirieren lassen können, was wiederum zu besseren Gesamtkonzepten führen wird.

„Ingenieure und Konstrukteure, die mit traditionelleren Herstellungsverfahren arbeiten, können mit diesen Tools Entwürfe entwickeln, die sich für Guss-, Spritzguss- und sogar traditionelle subtraktive Verfahren eignen“, erklärte uns Mitchell. „Die Topologieoptimierung ermöglicht es, schnell und einfach Konstruktionen unter Berücksichtigung von beschränkenden Produktionsfaktoren zu erstellen, die nur ein relativ grobes Abformen oder Gießen dieser Konstruktionen ermöglichen. Die Designs können dann anschließend als Orientierungsmodelle im Zuge der Nachbearbeitung von Teilen verwendet werden.“

Ingenieure, die an Software im Bereich Optimierung und generatives Design interessiert sind, sollten sich anschauen, wie diese Lösungen mit ihren CAD-Paketen interagieren können. „Die Hauptschwierigkeit bleibt die Interoperabilität des Optimierungswerkzeugs mit der jeweiligen CAD-Definition“, so Lefebvre. „Es geht um den Umfang des Überarbeitungsaufwands, der für die Erstellung einer neuen CAD-Definition erforderlich ist.“

Coronado deutete an, es sei an der Zeit, dass Hersteller den Output ihrer Topologieoptimierungs-Software von außerhalb der CAD-Umgebung produzierten, triangulierten Objekten auf merkmalsbasierte, assoziative, parametrische 3D-Geometrie umstellen. Anbieter, die diese Umstellung planen – oder sie bereits vollzogen haben -, werden im Vorteil sein.

Wie dem auch sei – in jedem Fall werden Tools für Optimierung und generatives Design Ihrem Team zweifellos einen Vorsprung im Rennen um die nächste Ausschreibung verschaffen. Wer würde nicht mit weniger Material bessere Komponenten produzieren wollen?

Um mehr Antworten auf diverse Fragestellungen im Bereich Simulationssoftware zu finden, folgen Sie unserem Blog-Content oder lesen Sie unser Design Software e-Book (englischsprachig). Wenn Sie daran interessiert sind, diverse FEM-Softwares miteinander zu vergleichen, dann werfen sie einen Blick in unser e-Book: