ANSYS bei SEW-EURODRIVE Finite Elemente in …€¦ · ANSYS bei SEW-EURODRIVE Finite Elemente in...

Infoplaner

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FEM: Software · Schulung Entwicklung · Berechnung im Aufrag

ANSYS bei SEW-EURODRIVE

Finite Elemente in Bewegung

• CADFEM: ANSYS Competence Center FEM in Zentraleuropa (Seite 10)• Schweißnahtberechnung: ANSYS und FKM (Seite 32)• Biomechanik: FEM-Simulation in der Implantologie (Seite 40)

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Die Ersten werden die Ersten seinDie Ersten ernten die Lorbeeren, die Letzten beißen die Hunde. Das ist sicher auch in Ihrem Business so. Grund genug, sich als einer der Ersten für ein HPC-System der nächsten Generation zu entscheiden. Beschleunigen Sie zum Beispiel Ihre Produkt-entwicklungen, indem Sie Simulationen und andere rechen-

intensive Aufgaben statt auf Ihrem Desktoprechner auf einem leistungsfähigen Computercluster ausführen. Profi tieren Sie dabei von dem Wissen der führenden IT-Anbieter, um die optimale Lösung für Ihr Unternehmen zu fi nden. Und um in Ihrem Markt einer der Ersten zu werden und zu bleiben.

© 2008 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.

U2_microsoft 28.03.2008 16:46 Uhr Seite 1

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Nach rund 40 Jahren CAE-Anwendung in der Industrie ist einEnde des Booms noch nicht zu sehen. Nach einer eher verhaltenenEntwicklung in den ersten Jahren ist das Wachstum in den letztenJahren stark angestiegen. CADFEM hat 10 Jahre gebraucht, umvon Null (1985) auf rund 7 Millionen Euro (1995) zu wachsen. Inder folgenden Dekade hat sich der Umsatz auf rund 24 Millionen(2005) verdreifacht und liegt 2007 bereits bei 35 Millionen. BeiANSYS, Inc. sind die Zahlen, durch Zukäufe bedingt, noch beein-druckender. 1985 – nach 15 Geschäftsjahren – lag er bei 10 MillionenUS$, 1995 bei 39 Millionen US$ und 2005 bei 158 Millionen.2007 ist er hochgeschnellt auf 360 Millionen US$. Ein Grund,weshalb die Firma mittlerweile bei Forbes und anderen Gesell-schaften regelmäßig als High-Performer gelistet wird, ihr CEOEröffnungsreden bei amerikanischen Börsen halten darf und dasWall Street Journal über ANSYS, Inc. berichtet: EuphorischeAnalysten erwarten von ANSYS in zehn Jahren die Verfünffachungdes Umsatzes.

Um weiterhin mithalten zu können, müssen wir uns den Anforde-rungen und der Dynamik des Marktes stellen und unser CAE-Dienst-leistungsangebot überdenken und vor allem so strukturieren,dass es für den Kunden übersichtlich ist und überzeugend wirkt.Wir haben es in drei Ebenen gegliedert: Kerngeschäft, komple-mentäre Lösungen und Zukunftsgeschäft. Das Kerngeschäft decktdie Anforderungen unserer Kunden weitgehend ab. Wir möchtenaber unseren Kunden ein bisschen mehr bieten. Das können wirbewerkstelligen durch Eigenentwicklungen und Lösungen vonPartnern. Das bisschen „Extra“ spielt in einem wettbewerbs-starken Markt eine bedeutende Rolle. Wichtig ist es auch, in dieZukunft zu schauen und Software für neue Anwendungen zuevaluieren.

Kerngeschäft sind bei uns Vertrieb und Support der Produktevon ANSYS, Inc. inklusive LS-DYNA und Autodyn als expliziteSolver. Als ANSYS Competence Center FEM übernehmen wirzusammen mit der CADFEM AG, der CADFEM (Austria) GmbHexklusiv den Support für die Mechanical Solutions von ANSYS, Inc.in Deutschland, Schweiz und Österreich.Zusätzlich bieten wir unseren Kunden komplementäre Lösungenan. Zum Beispiel optiSlang für Robustheitsbewertung, ESACompfür die Berechnung von Composite-Strukturen oder die Produktevon FTI für die Umformsimulation. Dazu gehören auch Eigen-entwicklungen, wie zum Beispiel der VirtualPaintShop® für dieSimulation der Lackierung von Fahrzeugen.

In der dritten Ebene wagen wir uns in neue Anwendungsgebiete.Für 2008 werden wir Simulationen in der Biomechanik, Umwelt-simulationen für Stadtgebiete und Simulationen im Multiskalen-bereich bis hin zum Molekular- und Atombereich evaluieren.

Wir nennen unser Angebot ANSYS+ und das umfasst denVertrieb von ANSYS, ergänzende Software, Schulung zu unserenSoftware-Produkten und zu aktuellen CAE-Themen, Berechnungim Auftrag und die Programmierung von Zusatzmodulen. UnserVertrieb wird verstärkt das gesamte Dienstleistungsspektrumanbieten.Wir agieren nicht nur lokal, sondern – zusammen mit den Firmen,an denen wir beteiligt sind oder die zu TechNet Alliance gehören –auch global. Wir wirken aktiv mit in vielen Arbeitskreisen undFachvereinigungen. Wir sind bei Kongressen mit Vorträgen undAusstellungen vertreten. Wir sponsern Veranstaltungen undProjekte von Schulen und Hochschulen, so z.B. mehrere Teamsvon FormulaStudent. Wir engagieren uns in der akademischenWeiterbildung und haben zusammen mit Hochschulen einenberufsbegleitenden Studiengang Master of Engineering inApplied Computational Mechanics aufgebaut. Die Rückmeldungder ersten Abgänger war äußerst positiv, wenn auch das erforder-liche Durchhaltevermögen wegen der hochgestellten Anforderungnicht verschwiegen wurde. Unsere Devise ist – trotz Fokussierungauf Schwerpunkte – umfassende Dienstleistung auf dem GebietCAE zu bieten. Selbst bei der Suche nach Mitarbeitern sind wirunseren Kunden behilflich.

Mit unseren leistungsstarken Partnern ANSYS, Inc. sowie LSTC,unseren kompetenten und willensstarken Mitarbeitern und demgeschilderten 3-Säulen-Programm (ANSYS, ANSYS+ und Simula-tionen in neuen Fachgebieten) sind wir für die Zukunft gut gerüstet.

Dr.-Ing. Günter Müller

Geschäftsführender Gesellschafter

[email protected]

ANSYS plus – Das Angebot von CADFEM

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Editorial

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CADFEM Users’ Meeting 2008

CADFEM Users’ Meetings

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ANSYS Conference & 26. CADFEM Users´ Meeting 200822. – 24. Oktober 2008 Darmstadtwww.usersmeeting.com

„Inspiring Engineering“ - Die diesjährige gemeinsame deutsche Anwenderkonferenz von CADFEM und ANSYS Germany wird vom22. – 24. Oktober 2008 im neuen Kongresszentrum im Herzen der Wissenschaftsstadt Darmstadt stattfinden. Anwender von ANSYSProdukten, von LS-DYNA oder anderen Simulationsprogrammen und natürlich Interessierte sind herzlich zu dieser wohl größten Fachtagungrund um die simulationsgetriebene Produktentwicklung an einen spektakulären Veranstaltungsort, dem „darmstadtium“, eingeladen.

Wir freuen uns auf Ihre Vortragseinreichung aus den Bereichen:• Strukturmechanik• Strömungsmechanik• Multiphysik• Elektronik• Biomechanik• Bauwesen• Multiskalen• Material• Optimierung • u.v.m.

Aktuelle Informationen zur Anmeldung und Vortragseinreichung finden Sie unter www.usersmeeting.com

Deutschland

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CADFEM Users’ Meetings

ANSYS Conference &13. Schweizer CADFEM Users´ Meeting12. – 13. Juni 2008,Zürichwww.cadfem.ch

Auch für das Users´ Meeting im Euro2008-Land Schweiz werden nochVortragende gesucht: Die (F)EM-Meisterschaften finden am 12. und 13. Juni2008 in Zürich statt. Nutzen Sie also die Gelegenheit zum „public viewing andspeaking“ und präsentieren Sie der Schweizer FEM- und CFD-Gemeinde dasNeueste aus dem Anwendungsbereich Ihres Unternehmens oder Ihrer Hochschule.

ANSYS Conference & 3. CADFEM Austria Users´ Meeting24. – 25. April 2008,Wienwww.cadfem.at

Willkommen auf der längsten „Fem“-Meile Österreichs! Auch Wien wird wiederSchauplatz eines großen Spektakels: CADFEM Austria und ANSYS Germanyrichten die längste österreichische FEM- und CFD-Meile ein. Dabei wird FEM-und CFD-Anhängern ein spannender Pfad an Trends, Innovationen, neuenEntwicklungen und CAE-Gesprächen geboten, auf welchem sie flanieren undsich informieren können.

Österreich

Schweiz

SYMULACJA 2008 Anwenderkonferenz von MESco5. – 7. November 2008 Tarnowskie Górywww.mesco.com.pl

ANSYS Users’ Meeting for CZ and SKAnwenderkonferenz von SVSFEM5. – 7. November 2008 Luhacovice/Süd-Mährenwww.svsfem.cz

Am 26. Februar 2008 fand in Hyderabad/Indien die 1. CADFEM CAE Conference derindischen CADFEM Engineering ServicesIndia PVT Ltd. stattwww.cadfem.in

Indien

Tschechien / Slowakei

Polen

Das „darmstadium”ist das neue futuristische Kongresszentrum im Herzen der Wissenschaftsstadt Darmstadt, in dem vom 22. – 24. Oktober 2008 CADFEM und ANSYSGermany die diesjährige „ANSYS Conference & 26. CADFEM Users’ Meeting” ausrichten.


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Inhalt

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SEW-EURODRIVE: Finite Elemente in BewegungEinst das klassische Expertentool zur Nachberechnung ist ANSYS heute ein integraler Bestandteil der hochmodernen simulations-getriebenen Produktentwicklung bei SEW-EURODRIVE.

Seite 14

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Editorial

CADFEMCADFEM Users´ Meetings 2008 CADFEM: FEM-Software und DienstleistungenCADFEM Consulting CAE

ANSYSCADFEM: ANSYS Competence Center FEMVorteil ANSYSANSYS CFDSEW-EURODRIVE: Finite Elemente in BewegungCustomization: ANSYS Workbench „à la carte“ANSYS++: CADFEM Sonderaktion zu ANSYS & LS-DYNASchweißnahtberechnung mit FEM und Nachweis mit FKMKonstruieren mit Gusswerkstoffen

LS-DYNALS-DYNANeue Möglichkeiten zur Berechnungs- und ProzesssteuerungMethodenentwicklung zur Berechnung von höherfesten Stahlklebeverbindungendes Fahrzeugbaus unter CrashbelastungVirtueller Falltest elektronischer BauteileLS-DYNA++: Optimierung & Robustheitsbewertung mit LS-OPT, optiSLang & LS-DYNA

Technologie und GrundlagenSimulation mehrstufiger Umformprozesse mit der Finite Increment Technology (FIT)Flexible Mehrkörpersysteme in der Fahrzeugsimulation

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CADFEM ist das ANSYS Competence Center FEM in Zentraleuropa.Was Sie als Kunde davon haben und wie CADFEM mit ANSYS und ANSYS Germany kooperiert erfahren Sie auf

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HerausgeberCADFEM GmbHMarktplatz 285567 Grafing b. MünchenTel. +49 (0)8092-7005-0Fax +49 (0)8092-7005-77E-Mail [email protected]

Anzeigen/ Koordination/ Redaktion Alexander Kunz, [email protected] Müller, [email protected]

Layout Ralf Blechschmidt, Grafing

Produktion Bechtle Druck & Service, EsslingenAuflage 35.000 Exemplare

Copyright© 2008 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten.Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außer-halb der engen Grenzen des Urheberrechtsschutzesist ohne Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig.Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Über-setzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicher-ung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

ANSYS++

LS-DYNA++

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Inhalt

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Muskel- und GelenkkräfteMit der Software AnyBody können die Kräfte des menschlichen Bewegungs-

apparates simuliert werden. Übernimmt man die Daten in ANSYS, ergeben sichfür Festigkeitsberechnungen, z.B. bei Implantaten, völlig neue Möglichkeiten.

Seite 42

SchweißnähteBei der FEM lässt sich das Nennspannungskonzept für die

Schweißnahtberechnung nur beschränkt anwenden. Dieser Artikel zeigt die Alternativen.

Seite 32

Master´s VoiceDie ersten Absolventen haben den berufsbegleitenden Masterstudiengang

„Applied Computational Mechanics“ erfolgreich abgeschlossen.Anmerkungen zu ihren Erfahrungen lesen Sie auf

Seite 52

Warenzeichen/eingetragene WarenzeichenANSYS, ANSYS Workbench, CFX, ICEM CFD, FLUENT und alleProdukt- oder Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind registrierteWarenzeichen oder Warenzeichen von ANSYS, Inc. LS-DYNA, LS-OPTund LS-PrePost sind registrierte Warenzeichen der Livermore SoftwareTechnology Corp.. Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamensind Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligenEigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung kann nicht geschlossenwerden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Irrtümer undÄnderungen vorbehalten.

TrademarksANSYS, ANSYS Workbench, CFX, ICEM CFD, FLUENT and all ANSYS,Inc. product and service names are registered trademarks or trade-marks of ANSYS, Inc. LS-DYNA, LS-OPT, and LS-PrePost are registeredtrademarks of Livermore Software Technology Corp.. All other trade-marks or registered trademarks are the property of their respectiveowners. Missing trademark symbols do not indicate that names ofcompanies or products are not protected. All information subject tomistakes and alteration. infoplaner 1/2008 5

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Medizin und BiomechanikCADFEM MedicalDurchgehende Prozesskette bei der ImplantatentwicklungOptimierte Ergonomie durch virtuelle MuskelspieleAnyBody und ANSYS: Gekoppelte Analyse eines Implantats

WeiterbildungSeminarreihe: „Experten für Experten“Seminar: „Modellierung und Berechnung von Klebeverbindungen“Master of Engineering in Computational Mechanics: Erfahrungen der Absolventen

SoftwareVeranstaltungen2008: Jahr der MathematikDas Panometer in DresdenMit dem Fahrrad von Grafing nach PekingFormular für Literatur- und Test-Software-Bestellungen

AnzeigenMicrosoftSchneider DigitalSchneiderkunzt: Kreatives trifft Nadel & FadenCAE-Forum Simulationsgetriebene Produktentwicklung am 26.6. in Stuttgart


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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung veranstaltet seit dem Jahr 2000 zusammen mit der InitiativeWissenschaft im Dialog (WiD) die Wissenschaftsjahre. Gemeinsam mit der Deutsche Telekom Stiftung und derDeutschen Mathematiker-Vereinigung (DMV) wird 2008 das Jahr der Mathematik ausgerichtet, die nicht zuletztden Alltag des Berechnungsingenieurs prägt.

Jahr der Mathematik

2008: Jahr der Mathematik

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Große Namen belegen die historische Bedeutung der Mathematikin Deutschland. Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) ersannschon im 17. Jahrhundert nicht nur die Analysis, sondern auchdas Dualsystem sowie eine Maschine, mit der er mathematischeBerechnungen vornehmen konnte. In der ersten Hälfte des19.Jahrhunderts war es Carl Friedrich Gauß (1777–1855), der dieWissenschaft in Deutschland entscheidend voranbrachte. Ihmverdanken wir Fundamentales zur Zahlentheorie, aber auch dieGaußsche Glockenkurve der„Standardnormalverteilung“. Späterwar es David Hilbert (1862–1943), der von Göttingen aus dieRichtung der Mathematik mitbestimmte: Unter seiner Regie wurdedie niedersächsische Universitätsstadt zu einem Weltzentrum derMathematik.

Viele weitere wichtige Namen wie Georg Cantor (1845 –1918),Felix Klein (1849 –1925), Emmy Noether (1882 –1935), BernhardRiemann (1826–1866) oder Karl Weierstraß (1815–1897) belegen:In Deutschland hat die Mathematik eine Heimat.

Eine Zäsur stellt die Zeit des Nationalsozialismus dar – für dieMathematik mindestens so gravierend wie für alle anderenWissenschaften auch. Im Bereich der reinen Mathematik warDeutschland vor dem Zweiten Weltkrieg führend. Durch dieVertreibung und Ermordung jüdischer Mathematiker und dieZerstörung der Strukturen in der Wissenschaftslandschaft währendder Zeit des Nationalsozialismus ging diese Führungsposition ver-loren. Ab den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts gelang es inDeutschland jedoch mit viel Hilfe und Unterstützung aus demAusland, eine neue und lebendige Forschungslandschaft aufzu-bauen.

Mathematik und ihre AnwendungenDie Mathematik ist von elementarer Bedeutung für viele Arbeits-felder. Sie ist die Grundlage aller modernen Naturwissenschaften.Ganz besonders deutlich ist dies in der Physik – zum Beispiel inder Allgemeinen Relativitätstheorie (Theorie der Gravitation) vonAlbert Einstein, aber auch in der Quantenmechanik und ihrenFortentwicklungen sowie in der Physik der Elementarteilchen. Soist Mathematik die Basis aller ernst zu nehmenden Versuche,Quanten- und Gravitationstheorie gemeinsam zu betrachten undzu verstehen. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, warum schon

1960 der Physik-Nobelpreisträger Eugene Wigner von der „uner-klärbaren Effektivität der Mathematik in den Naturwissenschaften“sprach und möglicherweise schon die heutigen Möglichkeitender Finiten Elemente und anderer Methoden im Ingenieurwesenund mittlerweile auch ganz anderen Disziplinen ahnte.

Mathematische Methoden sind in den letzten Jahren tief in andereFragestellungen eingedrungen, zum Beispiel in den Bereich dermathematischen Biologie. Das gilt auch für die organischeChemie und die Pharmazie. So ist die Mathematik auch eineSchlüsseltechnologie für den Fortschritt in der Medizin – wieauch in vielen anderen Bereichen. Die Mathematik ist zu einemwichtigen, aber oftmals wenig sichtbaren Wirtschaftsfaktorgeworden. Die Erforschung von Zahlen und Formeln und dieEntwicklung moderner mathematischer Methoden sind im digi-talen Zeitalter Voraussetzung für moderne Hightech-Produkteund Schlüssel zu immer mehr Innovationen.

ANSYS, LS-DYNA, FTI, AnyBody, optiSLang, Atomistix und vieleweitere hochentwickelte Simulationstechnologien lassen grüßen.Das Programm Diffpack (www.diffpack.com) geht sogar noch einenSchritt weiter und bildet ein System an Differentialgleichungen,das in der Lage ist, auch komplexeste Phänomene mathematischabzubilden.

www.jahr-der-mathematik.de

Grundlage dieses Beitrags ist das Dossier

„Mathematik und Wissenschaft“ zum Jahr der Mathematik.

Hinweis

Jahr der Mathematik

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Der Name CADFEM steht seit 1985 für FEM-Kompetenz in Deutschland, Österreich, der Schweiz und jetzt auchin Indien – sowie für Beteiligungen und Partnerschaften in vielen weiteren Ländern.

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Technologien des Computer Aided Engineering (CAE) tragenheute in vielen Branchen entscheidend zur Verkürzung undOptimierung von Produktentwicklungsprozessen bei. Berechnungenam Computer ermöglichen es Unternehmen, das Verhalten vonBauteilen, Produkten oder Prozessen unter dem Einfluss verschie-dener physikalischer Effekte am Bildschirm zu untersuchen. Dadurchwerden nicht nur eine Vielzahl an zeitintensiven und teuren Ver-suchsreihen ohne Qualitätsverlust umgangen, sondern auch neueInnovationspotenziale genutzt.

Auf diesem Gebiet unterstützt CADFEM Anwender aus Industrieund Forschung seit 1985. Mit Software, Rat und Tat. Und mit Erfolg:Was damals von zwei Ingenieuren in der Nähe von Münchenbegonnen wurde, hat sich zu mehreren Unternehmen mit demNamen CADFEM mit rund 150 Mitarbeitern entwickelt. DerenKnow-how trägt entscheidend dazu bei, dass CADFEM heute zuden führenden Anbietern von Software und Ingenieurdienst-leistungen im Bereich des CAE gehört. Über Beteiligungen anjungen Firmen sowie einem weltweiten Partnernetzwerk habenCADFEM Kunden darüber hinaus direkten Zugang zu einem ein-zigartigen Fundus an CAE-Lösungen und CAE-Expertise.

Soft- und HardwarevertriebUm die Hauptprodukte ANSYS und LS-DYNA bietet CADFEM einPortfolio aus leistungsfähigen ergänzenden Softwarelösungenan. Für alle Produkte gilt, dass der Kunde bei CADFEM ein adä-quates Serviceangebot und kompetente Ansprechpartner findet.Als Partner namhafter Hardware-Hersteller kann CADFEM auchfertig konfigurierte Komplettlösungen aus Software und Hard-ware anbieten.

• Softwareüberblick auf Seite 30• ANSYS auf Seite 10• LS-DYNA auf Seite 22

Service: Seminare und SupportZuverlässiger und kompetenter Anwendersupport und ein breitgefächertes Seminarangebot zu ANSYS, LS-DYNA, den anderenSoftwareprodukten sowie ein softwareunabhängiges Weiterbil-dungsprogramm (CAE Wissen, Masterstudiengang).

• Seminarreihe „Experten für Experten“ auf Seite 50• Berufsbegleitender Masterstudiengang

„Applied Computational Mechanics“ auf Seite 52

Consulting CAEBerechnungsingenieure mit fundierter Ausbildung und Erfahrungin unterschiedlichsten Disziplinen bilden ein kompetentes Teamfür Consulting-Projekte. Direkter interdisziplinärer Austausch undeine erstklassige Infrastruktur aus Software und Hardware gewähr-leisten eine effiziente Bearbeitung.

• CADFEM Consulting CAE auf Seite 11

EntwicklungDas CADFEM Team aus programmier- und FEM-erfahrenenIngenieuren entwickelt branchen- und kundenspezifische Lösungen– auch, aber nicht nur auf der Basis von ANSYS Workbench.

• ANSYS Workbench „à la carte” auf Seite 18

Die CADFEM Geschäftsstelle Burgdorf hat

Ende 2007 ihre neuen Geschäftsräume im

Pelikanviertel Hannover bezogen.

Neue Adresse:

CADFEM GmbH

Pelikanstr. 13

30177 Hannover

Tel. +49 (0)511-390603-0.

CADFEM in Deutschland, der Schweiz, in Österreich und in Indien:

www.cadfem.de (Deutschland)www.cadfem.ch (Schweiz)www.cadfem.at (Österreich)www.cadfem.in (Indien)

Weitere Partner:

www.inutech.de (Deutschland)www.dynardo.de (Deutschland)www.mesco.com.pl (Polen)www.svsfem.cz (Tschechien)www.cca-es.com (China)www.ozeninc.com (USA)www.virtualcitysystems.de (Deutschland)www.technet-alliance.com

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CADFEM Hannover ist umgezogen

CADFEM: FEM-Software und Dienstleistungen

CADFEM


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Seit Unternehmensgründung 1985 ist CADFEM enger Partner vonANSYS und LSTC (LS-DYNA) in Zentraleuropa. Als ANSYS CompetenceCenter FEM (siehe auch Seite 10) vertreibt CADFEM ANSYSSoftware und erbringt alle produktbegleitenden Dienstleistungen

mit Schwerpunkt Strukturmechanik, Elektronik und Multiphysik.Dies erfolgt in direkter Zusammenarbeit mit der ANSYS GermanyGmbH, die mit dem Fokus auf die Programme ANSYS CFX undFLUENT den Bereich der High-End Strömungsmechanik abdeckt.

Mit jungen innovativen Simulationstechnologien adressiert CAD-FEM Märkte der Zukunft: Virtuelle Städte, Simulation im Multi-skalenbereich und Simulation in der Medizin sind die Themen,

die CADFEM schon heute mit Produkten, Forschungsprojekten undKompetenzen besetzt.

Finite Element Modell einesSchädels (ca. 1,7 Mio. Tetraeder)

(Quelle: Universitätsklinikum Ulm,Abt. Kieferorthopädie)

Multiskalensimulation mit Digimat

Virtuelle Stadtplanung:VirtualCitySystems

Computer Aided Engineering vonComposites-Materialien mit

ESAComp

Berechnung derSchallabstrahlung mit WAON

Multidisziplinäre Optimierung mitoptiSLang

CADFEM steht für ANSYS und LS-DYNA in Zentraleuropa – und fürmehr. Mit FTI ist CADFEM der Ansprechpartner zum Thema Umform-simulation. CADFEM ist „ANSYS plus“ und bietet dem Kunden rundum das mächtige Spektrum von ANSYS eine Vielzahl an weiterenkomplementären Softwarelösungen und Dienstleistungen. Diese erhöhen nicht nur den Nutzen von ANSYS, sondern werdenauch „Stand-Alone“ von einem professionellen Team angebotenund unterstützt.

• Blechbauteilentwicklung: FTI Forming Suite• Composites: ESAComp• Optimierung & Robustheitsbewertung: optiSLang• Akustik: WAON

Neben ergänzender Software umfasst das ANSYS „plus“ vonCADFEM auch Ingenieurdienstleistungen wie Berechnung imAuftrag und Programmentwicklung bzw. Customization.

CADFEM Kerngeschäft: ANSYS und LS-DYNA

CADFEM ist ANSYS „plus”…

CADFEM ist Simulation in neuen Fachgebieten

CADFEM


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Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Temperaturfelder, Elektromagnetikund Multiphysik: Das gesamte Spektrum der ANSYS Programmfamilie decktCADFEM mit den entsprechenden Software-Paketen, mit Support,Seminaren und komplementären Leistungen ab. Als ANSYS CompetenceCenter FEM in Zentraleuropa liegt ein besonderer Schwerpunkt bei denMechanik-, Elektronik- und Multiphysik-Anwendungen.

ANSYS

CADFEM: ANSYS Competence Center FEM

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CADFEM ist das „ANSYS CompetenceCenter FEM“ in Zentraleuropa (Deutsch-land, Österreich, Schweiz). Auch ohnediese Bezeichnung zu führen, ist CAD-FEM dies schon seit Mitte der 1980erJahre – seit CADFEM die ANSYS Simula-tionslösungen in Deutschland, Österreichund der Schweiz etabliert hat. Heute unter-stützt ein CADFEM Team aus rund 100Ingenieuren mit fundiertem ANSYSHintergrund den effizienten Einsatz vonANSYS in diesem Gebiet – zusätzlicheExpertise kommt von Partnern im In- undAusland.

Als ANSYS Competence Center FEM bietetCADFEM:• ANSYS Software: Alle Programmpakete

der ANSYS Multiphysics Software Suite• ANSYS Support: Gesicherte und kompe-

tente Anwenderunterstützung zu allenANSYS Anwendungen

• ANSYS Seminare: Ein umfassendesAus- und Weiterbildungsangebot rundum die professionelle Anwendung vonANSYS

ANSYS+• Komplementäre Software (z.B. FEM

explizit mit LS-DYNA; Optimierung mitoptiSLang; Multiskalen mit Digimat;Akustik mit WAON etc.) einschließlichSupport und Schulung

• ANSYS Workbench Customization:Anpassung der Workbench an indivi-duelle Anforderungen

• ANSYS Consulting: Projektunterstützungoder -durchführung durch erfahreneBerechnungsingenieure aus dem CADFEM Consulting

• Hardware & Komplettlösungen: AlsPartner renommierter Anbieter findenKunden auch bei der Auswahl deroptimalen Hardwareplattform kom-petente Unterstützung.

CADFEM kooperiert eng mit der ANSYSGermany GmbH, die für Zentraleuropadas ANSYS Competence Center CFD bildetund über eine detaillierte Expertise im Bereich von High-End CFD-Anwendungenmit den ANSYS Produkten CFX und FLUENTverfügt. CADFEM und ANSYS Germanyverstehen sich als das „ANSYS TeamGermany“.

ANSYS++: Das CADFEM Angebot 2008

In ANSYS Workbench explizit mit LS-DYNA

rechnen. Mehr Information auf Seite 21.

Angebot

ANSYS++

Deutschland

Dr.-Ing. Jürgen Vogt

Tel. +49 (0)8092-7005-19

E-Mail [email protected]

Schweiz

Roger Stahel

Tel. +41 (0)52-36801-20


Österreich

Marc Brandenberger

Tel. +43 (0)1-5877073-10


ANSYS Competence Center FEM


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CADFEM Consulting CAE

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ANSYS

Deutschland

Dr.-Ing. Marold Moosrainer

Tel. +49 (0)9092-7005-45


Schweiz

Ronni Friedt

Tel. +41 (0)52-36801-06


Österreich

Christoph Schlegel

Tel. +43 (0)1-5877073-11


Indien

Madhukar Chatiri

Tel. (in D) +49 (0)8092-7005-81


CADFEM Consulting CAE

Neben der Software und allen be-gleitenden Dienstleistungen gehörtauch die Auftragsberechnung zumGesamtangebot des ANSYS Compe-tence Centers FEM von CADFEM.Zum Einsatz kommen ANSYS und beiBedarf geeignete komplementäreLösungen. Die Expertise des CADFEMConsulting-Teams deckt praktisch alleBereiche der numerischen Simu-lation ab.

Beispiel Festigkeitsnachweis mit ANSYSDie zu analysierende Struktur istBestandteil eines Wärmetauschers.Es handelt sich um die Endkappeeines Cu-Rohres, die durch Lötenmit dem Rohr verbunden ist. Zielder rechnerischen Analyse ist derFestigkeitsnachweis in Bezug aufstatischen Druck unter Anwendungvon AD-Merkblatt AD2000-S4. DieStruktur soll außerdem zur Validierungmit dem Traglastverfahren nach DINEN 13445 bewertet werden.

Festigkeitsnachweis nach AD-Merkblatt AD2000-S4Für den rechnerischen Nachweismüssen die Beanspruchungsgrenz-werte nach AD2000-S4 eingehaltenwerden: Pm + Pb < 1,5 f. Für gelö-tete Bauteile aus Cu-DHP ergibtsich die zulässige Spannung nachAD2000-W6. Die Berechnung erfolgtam axialsymmetrischen 2D-Modellmit einem linear-elastischen Material-modell unter Auswertung der Biege-und Membranspannungen über demQuerschnitt.

Traglastanalyse nach DIN EN 13445Für die Berechnung wurde ein aus-reichend großer Druck schrittweisebis zum Erreichen der Traglastgrenzeaufgebracht. Als Abbruchkriteriumwurde das Überschreiten der plasti-schen Dehnung von 5% definiert. Eszeigt sich, dass nicht die Rohrkappesondern das Rohr zuerst versagt.

Vergleichsspannung bei pTr (grau: plastifiziert) Plast. Dehnung nach Überschreiten pTr

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ANSYS hat sich kontinuierlich zum welt-weiten Marktführer auf dem Gebiet desComputer Aided Engineering entwickelt:Kein anderer Anbieter verfügt über dieAnwendungsbreite bei gleichzeitiger An-wendungstiefe, die Kopplungsmöglich-keiten, die Skalierbarkeit auf individuelleAnforderungen und die Integrationsfähig-keit mit anderen Systemen und Prozessen.

Simulation, „Computer Aided Engineering“,ist das Metier von ANSYS seit dieSoftware Anfang der 1970er Jahre vonDr. John Swanson entwickelt wurde.Diese Spezialisierung hat ANSYS bisheute beibehalten. ANSYS ist durch diekontinuierliche Weiterentwicklung derEigenprodukte und gezielte Zukäufe zueinem marktführenden Anbieter vonSimulationstechnologie geworden. DerAnspruch von ANSYS ist kein anderer, alsseinen Kunden für alle Physiken Top-Produkte innerhalb einer einheitlichenProgrammumgebung zur Verfügung zustellen.

ANSYS Software ist weltweit• mit über 13.000 Kunden• mit über 200.000 kommerziellen

Installationen und• mit über 200.000 Hochschul-

Installationen

die am häufigsten genutzte Simulations-software für die Produktentwicklung.

Das Fundament für den Erfolg vonANSYS ist die lange und detaillierte CAE-Expertise und die Unabhängigkeit desUnternehmens. Dadurch ist das Know-how für hochentwickelte Technologienzur Abbildung verschiedener Physikenentstanden. Diese sind nicht starr, sondernkönnen branchen-, unternehmens- oderanwenderspezifisch angepasst, erweitertoder mit komplementären Lösungen ge-koppelt werden.

Simulation-Driven Product DevelopmentEine einheitliche Benutzerumgebung, ausder heraus anhand ein und desselbenDatenmodells das Verhalten des künftigenProduktes unter der Einwirkung unter-schiedlicher physikalischer Effekte analysiertwerden kann – das ist Workbench. DenGrad an Automatisierung, den Umfangan Funktionalität, die Detailliertheit derBerechnung – alles dies bestimmt derAnwender selbst.

Das prädestiniert ANSYS Workbench alsUnternehmenslösung: Für unterschiedlicheHerausforderungen, von der konstruk-tionsnahen Bauteil-Überschlagsrechnungbis zur komplexen gekoppelten High-EndBerechnung quer durch alle Physiken,besteht eine einheitliche Datenbasis unddamit Durchgängigkeit im Sinne einerhochmodernen simulationsgetriebenenProduktentwicklung.Als ANSYS Competence Center FEMunterstützt CADFEM die Anwender vonder Beratung beim Einstieg über dieImplementierung bis hin zur Unterstützungbei der Lösung besonders komplexerAufgabenstellung.

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ANSYS

Vorteil ANSYS

ANSYS Simulationstechnologie

• Anwendungsbreite· Strukturmechanik· Strömungsmechanik· Temperaturfelder· Elektronik· Elektromagnetik

• Anwendungstiefe innerhalb jeder Physik

• Multiphysik: Umfassende Kopplungsmöglichkeiten

• Skalierbarkeit nach individuellenAnforderungen

• Offenheit und Flexibilität zur vertikalenIntegration und Kopplung mit anderenCAE-Systemen

• ANSYS EKM: Verwaltung undArchivierung von Simulationsdatenund -prozessen

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ANSYS

ANSYS CFD

Formel 1 Methoden im Schwimmbad:auch die Firma Speedo setzt ANSYSSoftware bei der Entwicklung desschnellsten Schwimmanzug der Welt,dem LZR RACER ®, ein.

Geschwindigkeitskonturen und Polyedernetz eines Mischers.

Der ANSYS Gründer Dr. John Swanson,

Absolvent der School of Engineering der

Universität Pittsburgh, hat seine ehemalige

Ausbildungsstätte mit einer Spende von über

41 Mio. US$ bedacht. Dies ist die höchste

Spende, die die Universität jemals erhalten hat.

Die "School of Engineering" wurde nun in

"Swanson School of Engineering" umbenannt.

www.engr.pitt.edu

In den Rankings der Wirtschaftsmagazine in

den USA ist immer öfter der Name „ANSYS” zu

lesen: In der „Fast 15“ List der Zeitschrift Forbes

wird ANSYS im Februar 2008 als einziges CAE-

Unternehmen unter den Firmen mit einem sehr

hohen Wachstumspotenzial geführt. In Forbes

wird ANSYS zudem regelmäßig in der Liste der

„Best Small Companies“ geführt. Im aktuellen

Shareholder Scoreboard des Wall Street

Journals erscheint ANSYS unter den „Top

Performers“ auf Platz 9. Im Verzeichnis der

größten Software-Anbieter weltweit der

Zeitschrift Software Magazine ist ANSYS im ver-

gangenen Jahr auf den Platz 122 vorgerückt.

www.ansys.com

Vom 21. – 25. April 2008 präsentieren CADFEM

und ANSYS Germany gemeinsam das gesamte

Programmspektrum von ANSYS auf der welt-

weit größten Industriemesse in Hannover. Sie

finden uns in Halle 17 an Stand F50.

www.hannovermesse.de

CADFEM und ANSYS Germany auf der Hannovermesse

ANSYS, Inc. – ein Aufsteiger

Dr. John Swanson School of Engineering

Die Rolle von CFD erlebte in den letztenJahren eine Wandlung. Anfänglich einTool, das hauptsächlich der Untersuchungbestehender Designeigenschaften dienteund meist nur zur Analyse von Fehlver-halten eingesetzt wurde, avanciert es jetztzu einer Methode, mit dem Produktalter-nativen in sehr frühen Stadien der Produktge-staltung bewertet werden können.

Von grundlegender Bedeutung für eineaussagekräftige Simulation ist die Wahleines gültigen physikalischen Berechnungs-modells (z.B. laminare oder turbulenteStrömung). ANSYS CFD-Programme bie-ten hier eine Vielfalt von Möglichkeiten,wobei durch ANSYS CFX und FLUENTeine große Bandbreite an Anwendungenabgedeckt wird. In beiden Verfahren sindphysikalische Modelle auf dem neuestenStand der Technik implementiert. Auchdie Löser wurden in den vergangenenJahren kontinuierlich weiterentwickeltund die Effizienz, Konvergenz undRobustheit verbessert. Funktionalität fürbewegte Netze, um bewegte Objekte wieVentile und Kolben in Motoren zu model-lieren, Berechnung von reagierendenStrömungen und instationäre Mehr-phasenrechnungen erweitern den Einsatz-bereich beständig. Weitere spannendeAnwendungen liegen im Bereich derKopplung von Disziplinen, z.B. Strukturund Strömung, um eine möglichst ge-naue Abbildung der Realität zu erreichen.In der in diesem Jahr erscheinendenVersion ANSYS 12 wird neben ANSYSCFX auch FLUENT in die Workbench-Platt-form integriert sein. Rechennetze, die mitdem neuen und einheitlichen „Meshing“ -

Werkzeug erzeugt werden, können danndurchgängig an beide Programme über-geben werden. Zudem wird das graphischeund quantitative Post-Prozessing verein-heitlicht. Die Workbench-Integration stelltauch sicher, dass sowohl ANSYS CFX alsauch FLUENT mit den Strukturmechanik-programmen von ANSYS gekoppelt werdenkönnen, so dass zum Beispiel Fluid-Struktur-Wechselwirkung simuliert werdenkann. Mittelfristig wird es durch gezielteWeiterentwicklung einen vereinheitlichtenCFD-Löser mit neuem Kern geben. In dieserneuen Software werden sich die bestenVerfahrenskomponenten und Modelle vonANSYS CFX und FLUENT wiederfinden. Beidieser Entwicklung spielt natürlich Rück-wärtskompatibilität zu den beiden Ur-sprungsverfahren – sowohl in Bezug aufDatenformate, als auch in Bezug aufModelle – eine herausragende Rolle.

Mathias Jirka,

ANSYS Germany / Fluent Deutschland GmbH

Im Frühjahr 2008 veranstaltet CADFEM für

ANSYS FEM-Anwender mehrere kostenfreie

Informationstage zur Strömungssimulation mit

ANSYS CFX. Inhalte, Termine und Anmeldung:

„Infoveranstaltungen“ auf

www.cadfem.de/seminare

InformationstageANSYS CFX für ANSYS Anwender

Autor

Bild

er:

AN

SYS

Inc.


creo

Schon seit 20 Jahren sind FEM-Simulationen mit ANSYS ein fester Bestandteil der Produktentwicklung beiSEW-EURODRIVE in Bruchsal. Auch der Einsatz von ANSYS war immer in Bewegung: Das einstige Expertentoolzur Nachberechnung hat sich zu einem integralen Bestandteil der hochmodernen, simulationsgetriebenenProduktentwicklung gewandelt.

ANSYS

SEW-EURODRIVE: Finite Elemente in Bewegung

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Bild 1: Antriebstechnik von SEW-EURODRIVE

SEW-EURODRIVE, das ist Bewegung,Tradition, Innovation, Qualität und Service– das beweist das Unternehmen seinenKunden seit über 75 Jahren. Die Produktevon SEW-EURODRIVE bewegen unzähligeFörderbänder, Getränkeabfüllanlagen undDächer von Sportstadien, Kieswerke, Mon-tagelinien, Prozesse in der chemischenIndustrie, Menschen auf Rolltreppen oderderen Gepäck in Flughäfen. Jeden Tag sind

fast 500 Forscher und Entwickler dabei dieZukunft der Antriebsautomatisierung zuerfinden. Weltweit arbeiten rund 12.000Mitarbeiter daran, alle Aufgaben rund umdie Antriebstechnik zu lösen. So hat sichSEW-EURODRIVE in seiner Geschichte zueinem der Marktführer in der Branche derAntriebsautomatisierung mit einem Umsatzvon rund 1,5 Mrd. Euro entwickelt. DieBewegung wird mit verschiedenen Produkt-

lösungen und Antriebssystemen erzeugt(Bild 1). Je nach Anforderung oder Branchebietet SEW-EURODRIVE individuelle Lösun-gen aus dem umfassenden Baukasten mitGetriebemotoren und Frequenzumrich-tern, Servo-Antriebssystemen, DezentralenAntriebssystemen und Industriegetrieben.


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Innovative Kraft für die Sicherung derSpitzenposition von SEW-EURODRIVE istder Forschungs- und Entwicklungsbereichdes Unternehmens, der im hochmodernenErnst Blickle Innovation Center am Stand-ort Bruchsal ansässig ist.

Simulationsgetriebene Produktent-wicklungBei SEW-EURODRIVE wurde schon sehrfrüh das große Potential der FE-Simulationin der Produktentwicklung erkannt. Seitrund 20 Jahren werden daher in derGetriebeentwicklung bereits erfolgreichFE-Berechnungen durchgeführt, und vonAnfang an wurde ANSYS als FE-Pro-grammpaket verwendet. Über die Fa.CADFEM wurde im Jahr 1988 zunächsteine ANSYS-Lizenz erworben, die anfangsnur von einem FE-Experten genutztwurde. Im Laufe der Jahre kamen weitereLizenzen hinzu. Heute werden mehrereLizenzen von einer Gruppe von Berech-nungsingenieuren in der Getriebeent-wicklung genutzt. Hinzu kommen weitereANSYS Installationen in der LizenzierungDesignSpace, die in erster Linie vongeschulten Konstrukteuren aus unter-schiedlichen Entwicklungsbereichen (Ent-wicklung Getriebe, Motoren, Eletronikund Mechatronik) angewendet werden.Außerdem steht in den Bereichen Motorenund Mechatronik eine ANSYS Professional/Emag-Lizenz für elektromechanische Ana-lysen zur Verfügung.

Im Getriebeentwicklungsbereich stehenfür komplexe nichtlineare strukturmecha-nische Berechnungen mit ANSYS zwei64bit HP XW9300-Workstations mitjeweils 8 GB RAM und eine 64bit HP

XW9400-Workstation mit 32 GB RAM zurVerfügung, auf die nur die Berechner-gruppe Zugriff hat. Lineare Analysenmittels ANSYS DesignSpace werden vonden Konstrukteuren an ihren Arbeitsplatz-rechnern vor Ort (32bit Rechner mit 2 GBRAM) durchgeführt.

Die Gründe für die Wahl von ANSYS alsBerechnungswerkzeug sind aus heutigerSicht sicherlich andere als vor 20 Jahren.Stand bei der Erstanschaffung noch derAspekt im Vordergrund, dass ANSYS eindurchgängiges System vom Preprocessing(inklusive der Möglichkeit der 3D-Geome-triemodellierung) über das Solving bis hinzum Postprocessing unter einer Ober-fläche vereint, ist es heute v. a. die intuiti-ve Workbench-Umgebung von ANSYS,die schnelle Analysen auf Basis von CAD-Modellen z.B. aus SolidWorks ermöglicht.Durch den Wegfall der Geometrieer-stellung sowie die robuste und schnelleVernetzung der Geometrie in ANSYSWorkbench ist der Zeitaufwand für dasPreprocessing heute drastisch gesunken,so dass z.B. Variantenstudien wesentlichschneller und effizienter durchgeführtwerden können.

Dies ist auch Voraussetzung für dieIntegration der rechnerischen Simulationin den Produktentwicklungsprozess zueinem möglichst frühen Zeitpunkt. Lagder Nutzen von ANSYS bei dessen Ein-führung innerhalb von SEW-EURODRIVEv.a. in der Nachanalyse bereits bestehen-der Bauteile, so sind heute die größtenVorteile der FEM in der entwicklungsbe-gleitenden Berechnung und der darausresultierenden aktiven Gestaltung des

Konstruktionsprozesses zu sehen.Bild 2 zeigt die Einbindung der FE-Simu-lation in den Entwicklungsprozess amBeispiel der Getriebeentwicklung beiSEW-EURODRIVE.

Mit ANSYS Workbench ist es möglich,erste 3D-CAD-Entwürfe von komplexerenBauteilen wie Getriebegehäusen in kür-zester Zeit ohne aufwendige Nachbear-beitung des Geometriemodells in das FE-Programm zu importieren und bezüglichden funktionalen Produkteigenschaftenzu analysieren. Da das Anfangsdesignselten allen Anforderungen hinsichtlichSteifigkeit, Festigkeit oder Fertigbarkeitgenügt, sind daraus resultierende kon-struktive Änderungen in der Frühphaseder Entwicklung die Regel. Folglich sindweiterführende, anfangs noch linear stati-sche FE-Berechnungen z.B. mit Hilfe vonANSYS DesignSpace, an verschiedenenGeometrievarianten unerlässlich, mit demZweck die Auswirkungen konstruktiverMaßnahmen auf das Bauteilverhalten zuuntersuchen, um so zu einem besserenVerständnis der einzelnen Konstruktions-varianten zu kommen. Mit steigendem Detaillierungsgrad folgen zudem komple-xere Berechnungsaufgaben, wie z.B. nicht-lineare Analysen (Kontaktberechnungen vongroßen Baugruppen, elastisch-plastischeAnalysen), Schraubenberechnungen, Mo-dalanalysen etc.

Ein stetiger Informationsaustausch undgegenseitiges Feedback von Konstruk-tions- und Berechnungsseite sind wichtigeVoraussetzungen dieses iterativen Pro-zesses, an dessen Ende idealerweise einvoroptimierter realer Prototyp steht. Die

ANSYS


Bild 2: Integration der FE-Simulation in den Entwicklungsprozess


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enormen Vorteile der beschriebenenVorgehensweise liegen auf der Hand: dieKosten für konstruktive Änderungen sindim frühen Entwicklungsstadium noch ver-hältnismäßig gering, da keine Werkzeugebzw. Modelle angepasst werden müssen.Änderungen lassen sich somit mit gerin-gem Zeit- und Kostenaufwand umsetzen.Mit fortschreitendem Entwicklungsstandsteigen die mit den Änderungen verbun-denen Kosten und Bearbeitungszeitenüberproportional an. Durch frühzeitigesErkennen potentieller Schwachstellen imBauteil kann zudem die Zahl der realenBauteilprototypen reduziert und damitEntwicklungszeit eingespart werden.

Trotz des umfangreichen Einsatzes der FE-Simulation in der Entwicklung sind Ver-suche am realen Bauteil zur Verifizierungder gewonnenen Erkenntnisse immernoch unverzichtbar. Allerdings kann dieZahl der durchzuführenden Versuche, z.B.aufgrund der Kenntnis kritischer Betriebs-lasten und Lastrichtungen aus FE-Ana-lysen, auf ein sinnvolles Maß reduziertwerden. Lassen sich die funktionalenProdukteigenschaften im Versuch eben-falls bestätigen, so ist ein großer SchrittRichtung Serienreife getan. Andernfallssind u. U. hierfür weitere Konstruktions-änderungen am Bauteil erforderlich, und das beschriebene Verfahren muss erneutdurchlaufen werden.

Anwendungsbeispiele GetriebegehäuseDie Bedeutung der FE-Simulation als wich-tiger Bestandteil in der Produktentwicklung

soll nachfolgend anhand der Berechnungvon Getriebegehäusen als klassischesAnwendungsgebiet von ANSYS innerhalbvon SEW-EURODRIVE aufgezeigt werden.Um der Forderung nach kompakten,zuverlässigen und überlastfähigen Getrie-beeinheiten mit hoher Leistungsdichtenachzukommen, wurden bei der Neuent-wicklung der Servo-Getriebereihe (Bild 3und Bild 4) neben anderen Komponenteninsbesondere die Gehäuse mit Hilfe derFEM hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeituntersucht.

Ermittlung des kritischen LastfallsAufgrund der sehr hohen Vielfalt derAnwendungsmöglichkeiten von SEW-Getrieben bestand die erste Aufgabedarin, die für das Gehäuse kritischenBetriebslasten zu ermitteln (Bild 5). Nebendem max. auftretenden Abtriebsmomentsind dies insbesondere äußere Radial- undAxialkräfte an der Abtriebswelle sowieGewichtskräfte von Motor und Adapter,deren Wirkung auf das Gehäuse u.a. vonder Einbaulage und des Anwendungsfallsabhängt. Durch Variation der Lastannahmenkonnte mittels ANSYS DesignSpace derkritische Betriebslastfall für das Gehäusegefunden werden.

Aufgrund der FE-Ergebnisse bei kombi-nierter Last stellte sich die Frage, welchenAnteil die Einzellasten an der Gesamt-beanspruchung am kritischen Ort desGehäuses haben. Zur Beantwortung die-ser Frage wurden die Lasten des kritischenLastfalls einzeln auf das Gehäuse aufge-

bracht und die örtlichen Spannungenermittelt. Durch Superposition aller Einzel-lasten muss sich für den linear elastischenFall wieder die Gesamtbeanspruchung amBauteilort ergeben. Aus den Ergebnissenging hervor, dass der Hauptteil derGehäusebeanspruchung mit rund 50%die Radialkraft an der Abtriebswelle verur-sacht (Bild 6).

Einfluss der RandbedingungenDa der Einfluss der kundenseitigenBefestigung im allgemeinen unbekanntoder nur schwer abschätzbar ist, war zurVerifizierung der Ergebnisse die Analysevon aufwendigeren FE-Modellen erforder-lich. So wurde die Gehäusebefestigungdurch eine Platte mit entsprechendenBefestigungsschrauben mitmodelliert. Füreine realitätsnahe Abbildung der Ver-formungsverhältnisse in unmittelbarerUmgebung der Befestigung wurden zwi-schen den einzelnen Körpern reibungsbe-haftete Kontakte definiert, die Abhebenzwischen den Kontaktpartnern erlauben.Die Wirkung der Befestigungsschraubenwurde mittels aufgeprägter Schrauben-vorspannkräfte berücksichtigt. Verglichenmit dem vereinfachten Modell liefertendie Kontaktmodelle nur geringe Abweich-ungen am kritischen Bauteilort, womit dieErgebnisse des linear statischen Modellsbestätigt werden konnten.

VariantenstudieAuf Basis der Ausgangsvariante sollte ins-besondere im Hinblick auf den kritischenLastfall das Gehäusedesign so modifiziert

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ANSYS

Bild 3: Servo-Planeten- (hinten) und Servo-Kegelradgetriebe (vorne) von SEW-EURODRIVE

Bild 4: Servo-Antriebe im Einsatz in derVerpackungsindustrie

Bild 5: Lastannahmen und Ermittlung des kritischen Lastfalls


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werden, daß eine deutliche Erhöhung der Gehäusefestigkeitund -steifigkeit ohne größere Gewichtszunahme erreicht wird.Die Durchführung der Variantenstudie erfolgte anhand deszuvor ermittelten kritischen Lastfalls. Als Bewertungskriteriumfür die Gehäusefestigkeit dienten die am höchstbeanspruchtenOrt ermittelten Spannungen, während zur Beurteilung derSteifigkeit die Relativverschiebungen der Lagermittelpunkte vonKegelritzelwelle und Abtriebswelle herangezogen wurden. Siestellen ein Maß für den Einfluss der Gehäusesteifigkeit auf denZahneingriff an der Kegelradstufe dar. Die Variantenstudieführte zu einem optimierten Gehäuse, das eine deutlich höhereFestigkeit (Halbierung der Spannungen) und Steifigkeit als dieAusgangsvariante aufwies.

PrototypenversucheAuf Grundlage der mit Hilfe von ANSYS gewonnenen Erkenntnissewurden von dem optimierten Gehäusedesign reale Prototypenexperimentell untersucht. Unter anderem wurden statische Bruch-versuche der Gehäuse durchgeführt. Die Versuchslasten wurdengemäß dem kritischen Lastfall eingestellt. Die Versuche zeigtenqualitativ eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Bruch-verläufen im Versuch und den mittels ANSYS ermittelten kritischenBauteilorten am Gehäuse (Bild 7). Dabei lagen die Bruchlastendeutlich höher als die Maximallasten, die die Getriebegehäuse imAnwendungsfall beim Kunden erfahren.


Ein wichtiger Entscheidungsgrund für die Ein-

führung von ANSYS und dessen kontinuierliche

Weiterverbreitung innerhalb von SEW-EURO-

DRIVE war und ist die ausgezeichnete Betreu-

ung der CADFEM GmbH bei allen Fragen rund

um ANSYS. Durchweg positiv sind auch die

Erfahrungen mit der Support-Hotline, deren

Experten in der Regel sehr schnell Antworten

auf FE-spezifische Fragestellungen finden,

Lösungen aufzeigen und beratend bei kom-

plexen Problemstellungen zur Seite stehen. Als

weiterführenden Service bietet CADFEM

zudem Seminare an, die sowohl den Einsteiger

als auch den erfahrenen Berechner ansprechen.

Mit ANSYS und ANSYS DesignSpace ist SEW-

EURODRIVE besser gerüstet, um den Forder-

ungen an die technische Produktentwicklung

nach kürzeren Entwicklungszeiten bei gleich-

zeitiger Kostenreduzierung und Erhöhung

der Produktqualität gerecht zu werden. Insbe-

sondere durch die Verbesserungen der ANSYS

Workbench-Umgebung in den letzten Ver-

sionen (v10 und v11), wie z.B. die erweiterten

Möglichkeiten der Vernetzungs- und Lösungs-

steuerungen und das Aufbringen der Rand-

bedingungen mittels Lastschritten, können

diese Ziele besser realisiert werden.

Für die Zukunft ist ein direkter Zugriff auf das

FE-Modell (auf Element- und Knotenebene)

wünschenswert und zwar durchgängig im

Strukturbaum (Vernetzung, Definition der

Randbedingung, Lösungssteuerung und

Postprocessing, z.B. Elementspannungen,

Pfaddefinition, Auswertung von Spannungs-

gradienten etc.). Kompensieren lässt sich

dies zwar z.T. mit den APDL-Befehlsfenstern

oder aber, insbesondere bei weitergehenden,

komplexen Analysen, mit ANSYS Classic, das

allerdings die Vorteile der Workbench hinsicht-

lich der grafischen Darstellung und Bedienung

nicht bietet.

Klaus Ganz, SEW Eurodrive, Bruchsal

Autor

Resümee

Bild 6: Spannungsanalyse an derAusgangsvariante

Bild 7: Qualitativer Vergleich zwischen Bruchverlauf im Versuch und kritischer Stelle in FE-Simulation

ANSYS


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Innerhalb der einheitlichen und intuitiven Workbench-Umgebung bietet ANSYS mehr Simulationsmöglichkeitenals jedes andere Programm. Übertroffen wird die Anzahl an Funktionalitäten aber noch von der Summe derindividuellen Wünsche aller ANSYS Anwender, die mittlerweile die größte CAE-Anwender-Community weltweitbilden. Die benutzerspezifische Anpassung der Software, die Kopplung von Applikationen (Interfacing) und dieunterstützende Entwicklung von Assistenten (Wizard) sind Dienstleistungen von CADFEM, durch die ANSYSWorkbench und andere Programme auch um sehr spezifische Kundenanforderungen erweitert werden können.

ANSYS

Customization: ANSYS Workbench „à la carte“

Die ANSYS Programmfamilie mit ihren Softwarelösungen zurBerechnung der linearen und nichtlinearen Festigkeit, demStrömungsverhalten, elektromagnetischen Feldern und vielenweiteren Gebieten bietet ein breites Spektrum an Applikationen.Auch sehr komplexe Sachverhalte können abgebildet werden,eine besondere Stärke ist die Multiphysik, die multidisziplinäreVerknüpfung zwischen den Berechnungsgebieten.

Keine andere Software kann diese Anwendungsbreite und inner-halb der verschiedenen Disziplinen auch diese Anwendungstiefebieten – ganz zu schweigen von der auf diesem Niveau einzigartigenKopplungsmöglichkeiten zweier oder mehrerer Disziplinen, d.h. derEinbeziehung von Wechselwirkungen, die sich dadurch ergeben.

Aber auch für ANSYS gilt: Es wird immer kundenindividuelleBedürfnisse geben – hinsichtlich Bedienbarkeit, spezieller Funk-

tionen, Anbindung anderer Codes – die den Standardumfangvon ANSYS übersteigen. Doch ANSYS ist auch ein offenes System,

• dessen Funktionalitäten kundenspezifisch erweitert oderangepasst werden können,

• das via Schnittstellen an komplementäre Tools oder Inhouse-Codes angebunden werden kann und

• dessen Einsatz über Programmassistenten („Wizards“) für bestimmte Funktionen und/oder Anwendergruppenautomatisiert werden kann.

Diese programmiertechnischen Anpassungen bietet der CADFEMGeschäftsbereich „Entwicklung“ an. Bei den meisten Projektengeht es um ANSYS Workbench, weshalb innerhalb des Entwick-

SeminareAnwenderprogrammierung in der

ANSYS Workbench Umgebung

• Möglichkeiten der Anwenderprogrammierung im Umfeld von

ANSYS Workbench

• Überblick über die JScript-Schnittstelle

• Überblick über die Anwendung und Möglichkeiten des

Simulation Wizard

• Überblick über die Kombination von Simulation

Wizard und Jscript-Schnittstelle

• Beispiele

Termin: 22. – 23. September 2008

in Grafing bei München

Kosten: EUR 980,– zzgl. ges. MwSt.

Implementierung eigener Materialmodelle und

Elemente in ANSYS

• Möglichkeiten und Voraussetzungen der UPF

• Überblick über die Dokumentation

• Überblick über die ANSYS-Schnittstellen-Routinen

• Detaillierte Besprechung der wichtigsten Routinen

• Vorstellung von Beispielen

Termine: 05. – 06. Mai 2008 in Hannover

16. – 17. Oktober 2008

in Grafing bei München

Kosten: EUR 980,– zzgl. ges. MwSt.

Weitere Informationen und Anmeldung: www.cadfem.de/seminare

infoplaner 1/200818


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ANSYS

lungsbereichs ein „Workbench Customization Team“ gebildetwurde. Aber auch die Anpassung anderer Produkte wie z.B. LS-DYNA oder ANSYS Classic wird von den CADFEM Entwicklernabgedeckt.

Kundenspezifische Anpassungen Langjährige Erfahrungen in der Softwareentwicklung ermöglichenes CADFEM, Softwareentwicklungsprojekte schnell und effizient zubearbeiten. Ein multidisziplinäres Team aus Berechnungsspezialistenund Programmierern, das auch enge Kontakte zu Hochschulen undForschungseinrichtungen pflegt, steht dafür zur Verfügung. DasReferenzprojekt ist hier das ANSYS Classic basierte Programm-paket zur Simulation des Lackierprozesses von Autokarosserien„VirtualPaintShop“ (VirtualPaintShop.com), das heute weltweit imEinsatz ist.

Die Anpassung von ANSYS Workbench an kundenspezifische Be-dürfnisse, ist ein Schwerpunkt des „Workbench Customization Teams“.Sie umfasst die Automatisierung von Prozessen, die Erstellungvon individualisierten Benutzeroberflächen oder den Einbau unddie Erweiterung von Funktionalitäten. Neben der vollständigenBearbeitung solcher Projekte werden ANSYS Anwender unterstützt,selbst individuelle Anpassungen vorzunehmen.

InterfacingSchnittstellen dienen dem Transfer von Daten zwischen verschie-denen Formaten oder Programmen, um diese Daten innerhalbeines Prozesses weiterzugeben oder um auf komplementäreFunktionen einer anderen Software zugreifen zu können. Wiewichtig dieser Bereich der Softwareentwicklung mittlerweilegeworden ist, zeigt die tägliche Arbeit mit ANSYS Workbenchbeim Laden des CAD-Modells „per Mausklick“.

Neben einem robusten Verhalten der Schnittstelle gegenübervariierender Daten, spielt die Geschwindigkeit und die Flexibilitäteine große Rolle. Die Entwicklung dieser Schnittstellen ist eine

wichtige Disziplin innerhalb der Softwareentwicklung. Ein aktuellesBeispiel ist die Schnittstelle „ANSYS Workbench for LS-DYNA“, dieder CADFEM Entwicklungsbereich geschaffen hat.

Assistenten („Wizards“) in der ANSYS WorkbenchFehlerminimierung, Prozessautomatisierung und -optimierung,Wissenspeicher und Prozesssicherheit sind nur einige Beispiele,wo sogenannte Assistenten in den Simulations- und Konstruk-tionsabteilungen hilfreich sind. Kennen Sie alle Funktionen derWorkbench? Wissen Sie noch, was Sie vor 3 Monaten in derWorkbench angeklickt haben, um ein Projekt zu definieren?Können Sie ein Problem auf demselben Weg bearbeiten, wie esIhr Kollege vor Ihnen getan hat? Was passiert, wenn der Kollegedie Firma verlässt? Sollten Ihre Standard-Berechnung nach einerRichtlinie nicht immer auf dieselbe Weise bearbeitet werden?CADFEM kann Sie bei der Entwicklung von Assistenten, die,integriert in ANSYS Workbench, bei diesen und anderen Frage-stellungen hilfreich sind, unterstützen.

Einige Vorteile der Assistenten-Entwicklung und –Anwendung:• Sicherung und Automatisierung wiederkehrender Prozesse.

Dabei wird der Simulationsprozess in einen Assistenten imple-mentiert, der den Benutzer auf immer gleiche Weise anleitet,die Simulation nach den existierenden Richtlinien durchzuführen.Der Vorteil ist nicht nur der gesicherte Ablauf einer Simulation,sondern auch die Fehlerminimierung und Vergleichbarkeit.

• Mit der Prozessdefinition für einen solchen Wizard geht auchmeist die Prozessautomatisierung einher. Aufgaben, die bisherper Hand bearbeitet werden mussten, werden gebündelt inAutomatismen implementiert. Dadurch wird die Bearbeitungeines solchen Prozesses nicht nur gesichert, sondern auch optimiert, was eine zeitliche Entlastung des Bearbeiters mit sichbringt. Neben den einzelnen Prozessschritten, werden auchlogische Kontrollen in solche Assistenten implementiert. D.h.die Fehlerminimierung basiert auf den logischen Mechanismen

Die „ANSYS Workbench for LS-DYNA” Schnittstelle Assistenten lassen sich in der Workbench auch in kürzester Zeit realisierenund bringen z.B. bei wiederkehrenden Aufgaben einen erheblichen Nutzen.


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ANSYS

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www.cadfem.de

ANSYS Workbench für HPC & Compute ClusterErfahrungen & aktuelle Informationen

Information und Anmeldung: www.cadfem.de/hp

Kostenloser Informationstag am Mittwoch, 16. April 2008 bei HP in Böblingen (HP Democenter)

Informationstag

des Assistenten. So darf der Benutzer kein Netz erstellen, bevornicht die Geometrie eingelesen wurde oder eine Rechnungdarf nicht gestartet werden, bevor nicht alle Randbedingungendes Prozesses richtig gesetzt wurden.

• Weiterhin dient ein solcher Assistent auch als Informations-speichersystem. Hier ist nicht nur das Wissen um den Prozessgespeichert, sondern auch die Art und Weise, wie dieser Prozessin ANSYS Workbench abgearbeitet wird. Eine weitsichtigeEntwicklung sorgt dafür, dass der Assistent auch in Zukunft denProzess so bearbeitet wie dieser definiert wurde. Änderungenlassen sich bei modularer Entwicklung eines Assistenten leichteinbringen.

Autor und Ansprechpartner für Entwicklung im Auftrag

und Workbench Customization:

Stefan Gotthold

CADFEM GmbH, Berlin

Tel. +49 (0)30-47 59 666-24


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Über 50 Teilnehmer aus 9 Ländern haben in der kurz zuvoreröffneten BMW-Welt in München am 4. InternationalenVirtualPaintShop (VPS) Users´ Meeting teilgenommen. DasVPS-Entwicklerteam von CADFEM konnte zahlreiche Vertreteraus der Automobilindustrie und dem Zuliefererbereich be-grüßen, u.a. von BMW, AUDI, Karmann, Porsche, Volkswagen,Daimler, Honda, PSA, BASF, PPG, DuPont, Dürr Systems oderNetzsch begrüßen.

Informationen zu VPS und der Veranstaltung:www.VirtualPaintShop.com

4. Internationales VirtualPaintShop Users´ Meeting

Veranstaltungsort des 4. VPS Users’ Meetings: die BMW Welt in München. Bild: BMW Group


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ANSYS++

Wenn Sie sich 2008 zum Kauf oder zur Miete einer neuen ANSYS Structural Lizenz entscheiden, erhalten Sie LS-DYNA Mietlizenzen undselbstverständlich auch das Interface für ein Jahr kostenlos dazu. CADFEM übernimmt dabei die Lizenzkosten für LS-DYNA im ersten Jahr.Um Ihnen den effizienten Einstieg in diese erweiterte Simulationsumgebung zu sichern, gehört auch die Teilnahme einer Person am Seminar„LS-DYNA und Workbench gemeinsam nutzen“ (Dauer 3 Tage) zu diesem Angebotspaket.

ANSYS kaufen – und mit ANSYS & LS-DYNA rechnen

LS-DYNA Simulation eines Komponentenversuchs bei Überlast für dieFührungsschiene eines Sitzes. Quelle: C. Robert Hammerstein GmbH & Co. KG

CADFEM Angebot

ANSYS ++: Das CADFEM Angebot 2008*

ANSYS = ANSYS + LS-DYNA + LS-DYNA Seminar

+ ANSYS-LS-DYNA-Interface

Nutzen Sie die CADFEM Sonderaktion ANSYS ++ um ohne Risikodie Möglichkeiten von LS-DYNA, zusätzlich zu ANSYS, für einJahr an realen Problemstellungen zu testen und sich so von denVorteilen der kombinierten impliziten und expliziten Berechnungzu überzeugen!

Wann explizit rechnen?Speziell wenn es darum geht, schnelle Vorgänge mit hohenFrequenzen (z.B. Stöße) zu berechnen, ist ein expliziter FE-Codeeinem impliziten häufig überlegen. So liegen die großen Stärkenvon LS-DYNA als einem weltweit führenden expliziten FE-Codedort, wo hochgradig nichtlineare Vorgänge, die eine feinere zeitliche Inkrementierung erfordern, zu berechnen sind. KomplexeKontaktsituationen, große Verformungen und daher auch quasi-statische Vorgänge wie nichtlineares Beulen oder nichtlineareMaterialen und Kontakte sind die Domäne von LS-DYNA, die einewertvolle Ergänzung zu den Möglichkeiten von ANSYS darstellen.

ANSYS Workbench for LS-DYNACADFEM hat LS-DYNA mit dem Interface „ANSYS Workbenchfor LS-DYNA“ unmittelbar an die ANSYS Workbench Umgebungangebunden. Damit kann auch das Preprocessing für expliziteAnwendungen in der komfortablen ANSYS Workbench Umgebungerfolgen – die Übergabe wie z.B. der Randbedingungen, Lasten,Kontaktdefinitionen und Materialeigenschaften an LS-DYNA erfolgt„per Mausklick“.

Steffen Schiele

Tel. +49(0)80 92-7005-92


www.cadfem.de

* Angebot vorbehaltlich Änderungen; gültig 2008 und nur in Verbindung

mit Kauf/Miete einer neuen Lizenz von ANSYS Structural oder höher.

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info_01_21_fin 28.03.2008 15:22 Uhr Seite 21

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LS-DYNA

LS-DYNA

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Mit dem expliziten FEM-Programm LS-DYNA der LivermoreSoftware Technology Corp. (LSTC) können Phänomene der Kurz-zeitdynamik analysiert werden, also das hochgradig nichtlineareund dynamische physikalische Verhalten von Strukturen.

Die Hauptanwendungsgebiete von LS-DYNA sind die Simulationvon Crash- sowie Metallumformvorgängen. In der Fahrzeug-industrie wird LS-DYNA außer für Gesamtfahrzeugcrashs inten-siv für die detaillierte Berechnung sicherheitsrelevanter Kompo-nenten, der aktiven und passiven Fahrzeugsicherheit sowie desInsassen- und Fußgängerschutzes eingesetzt. Die Simulation vonMetallumformvorgängen ist eine weitere Domäne von LS-DYNA,wobei dies über den reinen Umformprozess hinausgeht und z.B.auch Falten- oder Rissbildung, Optimierungsansätze hinsichtlichder Oberflächeneigenschaften oder Rückverformung umfasst.

LS-DYNA wird auch immer stärker in ganz anderen Bereichen,z.B. für virtuelle Falltests von Konsumgütern herangezogen.Über das von CADFEM entwickelte Interface „ANSYS Work-bench for LS-DYNA“ bietet sich dafür – und für viele andereEinsatzgebiete expliziter Berechnungen – die ANSYS WorkbenchUmgebung für ein besonders komfortables Preprocessing an.

LS-DYNA ist praktisch auf allen Betriebssystemen (Unix,Windows, Linux) sowie unter 32bit und 64bit lauffähig. Als vollparallelisierte Software können Berechnungen auch auf verschiedeneRechner verteilt werden, um einen entsprechenden Geschwindig-keitsgewinn zu erzielen.

Ergänzend zu LS-DYNA stehen dem Anwender ohne Zusatzkostendie LSTC-Tools LS-OPT (Optimierung) sowie der LS-PrePost (Pre-und Postprozessor) kostenlos zur Verfügung.

CADFEM vertreibt und betreut LS-DYNA seit über 20 Jahren miteinem erfahrenen Team von Spezialisten für die explizite FEM-Berechnung.

ANSYS und LSTC verlängern ihre Partnerschaft um 10 Jahre

ANSYS Inc. und der Entwickler von LS-DYNA LSTC haben Ende 2007 die

Verlängerung ihrer Kooperation um 10 weitere Jahre bekannt gegeben. Die

enge Anbindung von LS-DYNA erweitert den Berechnungsumfang von ANSYS

um führende explizite FEM-Technologie.

www.ansys.com

10th International LS-DYNA Conference am 8. – 10. Juni 2008

Zum 10. Mal richtet LSTC vom 8. – 10. Juni 2008 die weltweite LS-DYNA

Conference in Dearborn, MI/USA aus.

www.ls-dynaconferences.com

LS-DYNA Schnuppertrainings inkl. Software

Um LS-DYNA an einem Tag kompakt kennenzulernen, bietet CADFEM regelmäßig

LS-DYNA Schnuppertrainings an. Anhand von einfachen Beispielen werden

Teilnehmer an das Programm herangeführt, das Ihnen nach dem Training für 1 Jahr

in einer Demo-Version zur Vertiefung im Selbststudium zur Verfügung steht.

www.cadfem.de/seminare

Neue Programmversion LS-DYNA 971R3

Seit Ende März liegt die lange erwartete neue Programmversion LS-DYNA 971

als Release 3 vor. Sie enthält viele neue Feature wie Selective Mass Scaling, die

Corpuscularmethode zur Airbagsimulation sowie viele neue und erweiterte

Materialmodelle. Die neuen Features sind größtenteils schon im aktuellen

User's Manual beschrieben.

www.lsdyna-portal.com

BilderDeformationen (LS-DYNA Simulation und Versuch) an einem Führerhaus-Mock-up nach einem dynamischen Crashversuch (4,5 MJ) (Bilder 1 und 2). Zusehen ist eine Kollision einer Lokomotive mit einem 15 t schweren deformier-baren Hindernis (Lkw-Modell gemäß prEN 15227) mit 110 km/h (Bild 3). DasSimulationsmodell zeigt resultierende Deformationen mit plastischenDehnungen (bild 4). (Quelle: Bombardier Transportation GmbH, Kassel)

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Bereits seit Juni 2006 steht die aktuelleLS-DYNA Version 971 zur Verfügung.Aber viele der zahlreichen Neuerungenwerden bislang wenig oder gar nichtgenutzt, vielleicht auch weil sie mehroder weniger unscheinbar im Handbuchversteckt sind. So bietet die neue Versionmehrere Features an, mit denen rechtumfangreiche Steuerungen und Eingriffewährend der Berechnung vorgenommenwerden können. Dies eröffnet vieleMöglichkeiten bei der Prozesssimulationund erweitert damit erneut das Anwen-dungsspektrum von LS-DYNA.

SensorenAn sich sind Sensoren nichts Neues in LS-DYNA, aber bisher waren sie auf Anwen-dungen im Bereich der Rückhaltesystemebeschränkt. Das neue Keyword *SENSORbietet hingegen sehr weitreichende allge-meine Möglichkeiten. So können jetztz.B. Randbedingungen, Gelenke, diskreteFedern und Kontakte auf der Basis vonSensorwerten aktiviert oder deaktiviertwerden. Die Definition ist auf den erstenBlick etwas unübersichtlich jedoch letz-tendlich recht einfach:

*SENSOR_DEFINE:Hiermit wird ein Sensor definiert, der alsAusgabewert eine physikalische Größeliefert. Dies können Knotenverschiebungen(und deren Ableitungen), Elementergebnissewie Spannungen, Dehnungen oder Schnitt-kräfte oder Kontakt- und Gelenkkräfte sein.

*SENSOR_DEFINE_CALC-MATH:Hiermit sind mathematische Operationeneinzelner Sensordaten untereinander möglich.

*SENSOR_SWITCH:Hiermit wird geprüft, ob das Sensorsignaleinen Grenzwert über- oder unterschrei-tet. Das Ergebnis ist ein logisches „Ja“oder „Nein“.

*SENSOR_CONTROL:Basierend auf dem logischen Ergebnis einesSensors können hier Randbedingungen,Gelenke, Kontakte und diskrete Federnaktiviert bzw. deaktiviert werden.

Analytische FunktionenBei einer dynamisch transienten Simula-tion sind Lasten und Randbedingungentypischerweise zeitabhängig. Bisher mus-sten solche Verläufe in tabellarischerForm eingegeben werden und währendder Berechnung wurde zwischen den einge-gebenen Wertepaaren interpoliert. Mitdem neuen Keyword *DEFINE_CURVE_FUNC-TION kann jetzt ein solcher Verlauf auchals analytisch beschriebene Funktion vor-gegeben werden. Dies bringt z.B. beiSinus-Funktionen eine wesentlich glattereBeschreibung als durch die Eingabe einerendlichen Anzahl von Wertepaaren.Damit sind die Möglichkeiten diesesKeywords aber noch lange nicht ausge-schöpft. In die Formel der analytischenFunktion können auch aktuell entstande-ne Ergebnisse des Modells berücksichtigtwerden. So kann z.B. eine Kraft abhängigvon der Relativgeschwindigkeit zweierKnoten berechnet werden. Auch aktuelleGelenk- oder Balken-Kräfte können in dieBerechnung einer Funktion eingehen. Nichtzuletzt kann auch auf die Verläufe andererLoadCurves zurückgegriffen werden.

Input-ParameterIm Keyword-Input können seit der Version970 Parameter (*PARAMETER) anstelle jedernumerischen Eingabe verwendet werden.Dies gibt die Möglichkeit, verschiedeneModell- oder Lastfall-Varianten mit wenigenParametern zu kontrollieren. Ab der Version971 sind nun auch numerische Operationenzwischen diesen Parametern möglich, sodass Abhängigkeiten zwischen verschiede-nen Eingabeparametern direkt in das Input-file einprogrammiert werden können.

LastfälleMit dem Keyword *CASE können dieEingaben für mehrere Lastfälle in einemInputfile stehen. Dies kann zwei Vorteilebringen:1. Es müssen nicht mehrere Inputfiles

gepflegt werden, die sich eigentlichnur in wenigen Bereichen wie Lastenund Randbedingungen unterscheiden.

2. Unterschiedliche Lastfälle können miteinem Programmaufruf nacheinanderabgearbeitet werden.

Zum Berechnen mehrere Lastfälle in einemInputfile benötigt LS-DYNA ein kleines Hilfs-programm: lscasedriver bzw. lscasedriver.exe

Dr.-Ing. Uli Stelzmann

Dr.-Ing. Matthias Hörmann

Tel. +41 (0)8092-7005-41


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Autor


LS-DYNA: Neue Möglichkeiten zur Berechnungs- und Prozesssteuerung

Numerische Operationen zwischen Parametern

Zwei Möglichkeiten einer Lastfalldefinition

Simulation eines Hochregallagers. (TU-München und FG IFL)


Numerische Simulationsmethoden verkürzen die Entwicklungszeitenvon fortschrittlichen technischen Produkten. Dabei spielt die Simulationdes Crashverhaltens von Klebverbindungen im Fahrzeugleichtbau eineherausragende Rolle.

LS-DYNA

Methodenentwicklung zur Berechnung vonhöherfesten Stahlklebverbindungen desFahrzeugbaus unter Crashbelastung

infoplaner 1/200824

MotivationDie Werkstoffmodelle, die numerischeSimulation und die Messung der Kenn-werte unter Crashbedingungen müssengleichzeitig entwickelt werden, um einenin sich konsistenten Rahmen zu schaffen.Unter der Annahme, dass die Klebverbin-dungen kohäsiv versagen, sind mehrereZugänge möglich: Auf der einen Seitekönnen detaillierte Werkstoffmodelle zurBeschreibung des mechanischen Verhal-tens des Klebstoffs und der Fügeteile an-gewendet werden, um das Verhalten derKlebverbindung zu berechnen. Auf deranderen Seite können vereinfachteModelle verwendet werden, die auf expe-rimentelle, die Klebverbindung beschrei-bende Daten zurückgreifen, ohne dasmechanische Verhalten des Klebstoffs imDetail zu betrachten.

VorgehensweiseDie Methode der Finiten Elemente wurdein beiden Fällen mit Volumen- und verein-fachten Grenzflächenelementen verwen-det. Die Projektstrategie bestand darin, injedem Fall zunächst von den Grundver-suchen auszugehen, die für die Kennwert-ermittlung verwendet wurden, und diesezu simulieren. Nach diesem Schritt wur-den die Daten und Methoden mit zweiweiteren Experimenten, der KSII-Probeund dem T-Stoß, validiert. Zuletzt wurdenzwei vereinfachte Bauteile numerisch undexperimentell untersucht. Die erarbeitetenMethoden und die entwickelte Softwarekann mit der kommerziellen FE-PlattformLS-DYNA verwendet werden.

Kontinuumsmechanische ModelleEinachsige Zugversuche an Klebstoffpro-ben, die aus ausgehärteten Klebstoffplattengefertigt wurden, und Zugscherversuchewerden als Grundversuche zur Bestimmungder Werkstoffkennwerte betrachtet. Nebenden genannten Prüfungen sind auch quasi-statische Versuche an stumpf geklebtenHohlzylindern (Doppelrohrprobe) Grund-versuche für die Parameteridentifikationder kontinuumsmechanischen Werkstoff-modellgesetze. Der Vorteil der zuletztgenannten Experimente besteht darin,dass Kombinationen von Zug/Druck- undSchubbeanspruchung möglich sind. Im vor-liegenden Projekt konnten verschiedenedynamische Versuche an stumpf geklebtenRohrproben (Becherprobe) im Zugversuchdurchgeführt werden.

Vereinfachte ErsatzmodellierungNeben einem kontinuumsmechanischenAnsatz kann die Klebschicht jedoch auchdurch ein sog. Kohäsivzonenmodell re-präsentiert werden, das die Klebschichtdurch einen vereinfachten Zusammen-hang zwischen der Relativbewegung derFügeteile und den Spannungen in derGrenzfläche beschreibt. Ein Schwerpunktder Arbeiten am Kohäsivzonenansatz be-stand darin, eine geeignete Gruppe vonExperimenten zur möglichst direkten Be-stimmung der Modellparameter zu finden.

Ergebnisse zur KSII-ProbeAls erster Typ einer Klebverbindung füreine Validierung der Modelle wurde diesogenannte KSII-Probe verwendet. Die

T-Stoß

Berechnung zum T-StoßVergleich Modell – Experiment


creo

KSII-Klebverbindungen ähneln einer typi-schen Flanschverbindung zwischenStahlblechbauteilen im Automobilbau.KSII-Prüfungen können für quasi-statischeund hohe Beanspruchungsgeschwindig-keiten unter verschiedenen Beanspruch-ungswinkeln zwischen Kopfzug undScherzug durchgeführt werden.

Im quasi-statischen und im dynamischenFall konnte die Maximallast bei allen Mo-dellen typischerweise mit einem Fehlervon 10 – 20 % vorhergesagt werden. Dieunveränderten Modelle konnten dieEnergie mit einem Fehler von 20 – 40 %unter quasi-statischen Bedingungen undmit einem Fehler zwischen 30% undmehr als einem Faktor 2 im dynamischenFall berechnen. Der einfache bi-lineareKohäsivzonenansatz zeigte etwa die glei-che Genauigkeit wie die kontinuumsme-chanischen Modelle. Die durchgeführtenSimulationen trugen zu einem besserenVerständnis der Versuche bei, so dasseinige Experimente mit einem optimier-ten Versuchsaufbau wiederholt wurden.

Ergebnisse zum T-StoßNach der Untersuchung der KSII-Probewurde als zweite, komplexere Probenformein T-Stoß für einen weiteren Bewertungs-schritt ausgewählt. Die Probe wurde in zweiverschiedenen Richtungen mit quasi-sta-tischer und dynamischer Beanspruchunggeprüft. Lokale Verschiebungs- und Verfor-mungsmessungen lieferten experimentelleDaten, die mit den Ergebnissen der Simu-lationen verglichen werden konnten. Wie

für die KSII-Probe wurde ein geometrischesModell mit definierten Randbedingungenzur Verfügung gestellt. Zusätzlich wurdejedoch für die T-Stoß Berechnungen dasFE-Netz vorgegeben. Das Kohäsivzonen-modell wurde u.a. innerhalb LS-DYNAverwendet.

Bauteilähnliche ProbenFür eine letzte Untersuchung der Methodenim Rahmen des Projektes wurden zwei Bau-teile ausgewählt. Die erste Komponente,abgeleitet von der B-Säule eines Automo-bils, wurde von einem der Institute mitUnterstützung durch einen Automobilbauervorbereitet und geprüft. Ein zweiter Prüfaufbau wurde unter Nutzungvon zwei Komponenten aus der Tür einesFahrzeuges aufgebaut. Versuch und Prüf-körper wurden mit Hilfe der numerischenSimulation im Vorfeld optimiert. Die Prü-fungen wurden bei einem Industriepartnerdurchgeführt. Die zweite Komponente ist nurmit dem Kohäsivzonenmodell mit unver-ändertem Parametersatz berechnet worden.Experiment und Simulation wurden mit-einander verglichen. Weiterhin wurdendie Berechnungen nach der Implemen-tierung desselben Modellansatzes mit zweiverschiedenen FE-Plattformen durchgeführt.Der Vergleich zwischen Hochgeschwindig-keitsaufnahmen der Prüfung mit den Simu-lationen ergibt qualitativ eine recht guteÜbereinstimmung. Messungen mit Be-schleunigungsaufnehmern an zwei ver-schiedenen Stellen des Prüfaufbaus zeigenjedoch einen Unterschied um einen Faktor 3bei lokalen Verschiebungen. In der Simu-

lation reagiert der Prüfaufbau im Vergleichzum Experiment zu steif. Zusätzliche Simu-lationen lassen vermuten, dass die verein-fachte Simulation der Anbindung desPrüfaufbaus an das Fundament dieHauptursache für die Abweichung ist. Einleichter Unterschied ergibt sich auch zwi-schen den FE-Plattformen im Hinblick aufdas Versagen und die Deformation derKomponenten beim Versagen.

Konsequenzen für die Kennwertermittlungbei hohen DeformationsgeschwindigkeitenDer Einfluss von Trägheitseffekten auf dieKraftmessung in den Prüfmaschinen wurdemit den neuen Methoden des Projektesuntersucht. Es wurde festgestellt und an-schließend experimentell bestätigt, dassabhängig vom Ort der Kraftmessung diegemessene Kraft etwa doppelt so hochsein kann wie die Kraft, die wirklich ander Klebverbindung anliegt. Deshalbkann es sein, dass Messdaten, die typi-scherweise oberhalb 1,5 m/s gemessenwurden, nicht die tatsächliche Festigkeitder Klebverbindung repräsentieren, sonderndurch Trägheitseffekte hervorgerufene Arte-fakte sind.

Auszug aus dem Bericht zum Projekt 676

„Methodenentwicklung zur Berechnung von

höherfesten Stahlklebverbindungen des Fahr-

zeugbaus unter Crashbelastung“, das mit einer

Förderung der FOSTA - Forschungsvereinigung

Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, aus Mitteln

der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen,

durchgeführt wurde. Weitere finanzielle Unter-

stützung erfolgte durch die beteiligten Industrie-

unternehmen.

Der vollständige Bericht kann unter

www.stahlforschung.de gegen eine

Schutzgebühr von EUR 46,– (inkl. MwSt.,

zzgl. Versand) bestellt werden.

Dr. Markus Brede, Fraunhofer-Institut für

Fertigungstechnik und Angewandte Material-

forschung (IFAM), Bremen in Zusammenarbeit

mit zahlreichen weiteren Projektpartnern aus

Hochschule, Forschung und Industrie.

Autor

Hinweis


LS-DYNA


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Kompakte elektronische Geräte begleiten den Menschen heute durchden ganzen Tag. Eine wichtige Eigenschaft ist daher die Zuverlässigkeitder Produkte und insbesondere ihrer Komponenten auch bei extremenBelastungen, beispielsweise während eines Aufpralls. Führende Herstellerwie Qimonda nutzen moderne Simulationstechnologien, um die sensiblenelektronischen Module so auszulegen, dass „im Falle eines Falles“ einHöchstmaß an Stabilität erzielt wird.

LS-DYNA

Virtueller Falltest elektronischer Bauteile

infoplaner 1/200826

Qimonda ist ein weltweit führender An-bieter von Speicherprodukten mit einembreiten, diversifizierten DRAM-Produkt-portfolio. Im Geschäftsjahr 2007 erzielteQimonda mit weltweit rund 13.500Mitarbeitern einen Umsatz von 3,61Milliarden Euro. Das Unternehmen kannauf fünf Fertigungsstätten auf drei Konti-nenten zugreifen und betreibt sechsbedeutende Forschungs- und Entwick-lungseinrichtungen. Das Unternehmenbietet, basierend auf seinen Strom spa-renden Technologien und Designs,DRAM-Produkte für eine Vielzahl vonAnwendungen, wie Computing, Infra-struktur, Grafik, Mobil und Consumer.

Die Zuverlässigkeit der Komponentenunter dynamischen mechanischen Belas-tungen, die im täglichen Gebrauch ent-stehen können, ist zu einer zentralenHerausforderung in der Mikroelektronik-industrie geworden. Im Wesentlichengeht es dabei um drei Szenarien: Vibra-tionen, Stöße und der Aufprall, bei demnormalerweise die höchsten Belastungenauftreten.

Speziell die experimentellen Falltests sindsehr zeit- und kostenaufwändig, denn eshandelt sich um unzählige Szenarien, diezudem auch nur bedingt wiederholbar sind. Qimonda setzt die SimulationswerkzeugeANSYS und LS-DYNA ein, um beispiels-weise das Verhalten einer Leiterplatteinnerhalb verschiedener Produkte zu ana-lysieren und hinsichtlich ihrer Festigkeitbei Vibrations- und Stoßbelastungen zu

optimieren. Die dabei erzielten Ergebnisse(Kontakt, Reibung) dienen zusammen mitbekannten Werten aus Versuchen alsGrundlage für weitergehende Analysendes besonders interessierenden freienAufpralls aus 1 Meter Höhe.

Auch wenn es sich dabei um ein kleinesProdukt handelt, ist zu beachten, dass dieexemplarisch untersuchte Leiterplatte beiMaßen von etwa 13,3 x 0,5 x 0,1 cm undeinem Gewicht von 39 gr. 38 BGA-Komponenten (plus weitere, die nichtberücksichtigt wurden) trägt. Mit 40.400Knoten und 26.500 Elementen wurde einäußerst detailliertes Modell erstellt. Aufdessen Basis konnten wichtige Aussagenzu verschiedenen Belastungen der Kompo-nenten gemacht werden. Als Ergebnisergab sich die Empfehlung, bestimmtebeim Aufprall besonders belastete Teileanders zu verarbeiten und dadurch ihreRobustheit zu erhöhen.

Kurzzusammenfassung des ausführlichen Vor-

trags ANSYS & LS-DYNA Simulation of Electronic

Modules Subjected to Free Drop Test von

Przemyslaw Gromola, Axel Müler, Sven Rzepka,

Qimonda Dresden GmbH & Co. OHG, Dresden.

www.qimonda.com

Der vollständige technische Vortrag kann unter

www.cadfem.de/infoplaner heruntergeladen werden.

Hinweis

Geschweisster Laufwagen einerLinearachse mit Linearmotor

der Firma Güdel AG.


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CADFEM Angebot

Numerische Methoden zur Optimierung und Robustheitsbewertung kommen im Zuge eines sich weiter erhöhendenWettbewerbs- und Kostendrucks eine stark wachsende Bedeutung zu. Der kombinierte Einsatz von LS-DYNAmit LS-OPT und optiSLang setzt hier an.

Optimierung & Robustheitsbewertung mit LS-OPT, optiSLang & LS-DYNA

LS-DYNA++Die Optimierung von Produkteigenschaften und die Sicherungder Robustheit wird aufgrund kürzerer Entwicklungszeiten unddurch die Einsparung bei Hardwareversuchen immer mehr in dievirtuelle Produktentwicklung verlagert. Gleichzeitig müssenProdukte auf Grund des globalen Wettbewerbes immer kosten-effizienter werden. Das erhöht den Druck, Sicherheitsmargenbesser zu nutzen, Überdimensionierung zu vermeiden undQualitätssicherung an der richtigen Stelle einzuführen. ZurQuantifizierung von Sicherheitsabständen werden rechnerischeRobustheitsbewertungen notwendig.

Die Robustheitsbewertung ist z.B. in der Automobilindustrie einesehr wichtige Komponente. Dabei geht es in erster Linie um dieRobustheit des Designs gegenüber den in Natura auftretendenStreuungen, aber auch um den Einfluss des numerischen Rau-schens auf die Ergebnisse. Der CADFEM-Partner DYNARDO führtseit einigen Jahren bei verschiedenen OEMs die rechnerischeRobustheitsbewertung in die Regelprozesse der virtuellenProduktentwicklung ein.

LS-DYNA++: Das CADFEM Angebot 2008*

LS-DYNA (4CPU)

+ optiSLang

+ LS-OPT

Monatsmiete: EUR 1.050,– zzgl. MwSt.*

* Angebot vorbehaltlich Änderungen; gültig 2008 (Mietbeginn).Mindestmietdauer zu diesen Konditionen: 3 Monate / Maximale Mietdauer zu diesen Konditionen: 12 Monate

InformationstagDen speziellen Anforderungen der Optimierung und der Robustheits-bewertung unter Verwendung von LS-OPT, optiSLang & LS-DYNAträgt CADFEM mit einem Informationstag Rechnung. DieVeranstaltung richtet sich an erfahrene Entwickler und Berech-nungsingenieure und stellt die Möglichkeiten der Optimierung-und Robustheitsbewertung mit den Softwarepaketen LS-OPTund optiSLang im Umfeld von Berechnungen mit LS-DYNA vor.An praktischen Beispielen wird der Mehrwert der Programme inder virtuellen Produktentwicklung diskutiert sowie unser attraktivesBundle aus LS-OPT, optiSLang & LS-DYNA Lizenzen vorgestellt.

Inhalte• Einführung in die Optimierung & Robustheitsbewertung• LS-OPT als Einstiegsmodul für die Optimierung im

LS-DYNA Umfeld• optiSLang als Highend-Tool der allgemeinen

Parameteroptimierung• optiSLang für Robustheitsbewertungen

Termine• 17. April 2008 in Leinfelden-Echterdingen b. Stuttgart • 03. Juni 2008 in Hannover• 17. Juni 2008 in Grafing b. München• 01. Juli 2008 in Dortmund

Referenten• Wolfgang Lietz, CADFEM GmbH• Dr.-Ing. Johannes Will, DYNARDO GmbH

Weitere Informationen und Anmeldung: www.cadfem.de/seminare

Optimierung

Andreas Brandt

Tel. +49 (0)711-990745-13


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Die Auslegung von Umformstufen bei der Blechumformung erfordert die Festlegung von Platinengrößen undUmformgeometrien bei Berücksichtigung der Materialeigenschaften. Die Vielzahl an Prozessvarianten musshinsichtlich Kosten und Teilequalität bewertet werden. Dazu wird ein neuer Berechnungsansatz vorgestellt.

Technologie und Grundlagen

Simulation mehrstufiger Umformprozesse mitder Finite Increment Technology (FIT)

infoplaner 1/200828

Blechformteile werden oft in mehrerenFertigungsschritten hergestellt. Iterationender Bauteilgeometrie und die Auslegungder Zwischenstufen, Forderungen nachminimaler Platinengröße, Platinenpositio-nierung und die notwendigen Umformbe-dingungen in den einzelnen Fertigungs-schritten sind nur einige Punkte, die gelöstwerden müssen, um einen stabilen, wieder-holbaren Fertigungsprozess entwerfen zukönnen.

Die Analyse und Optimierung einer sta-bilen Fertigungsfolge mit konventionelleninkrementellen Finite Element Solvern istsehr herausfordernd und zeitintensiv. Fürdie Simulation müssen zunächst dieGeometriedaten aller Werkzeugteile fürsämtliche zu analysierenden Zwischen-stufen vorhanden sein. Der Benutzer kanndann mit der ersten Fertigungsstufe begin-nend die inkrementelle Prozesssimulationstarten und sequentiell im jeweils nachfol-genden Schritt die Ergebnisse der vorher-gehenden Analyse als Eingabe verwenden.Ergebnis sind neben der Blechdickenverteilungdie Spannungs- und Dehnungsverteilung.

Umformsimulation mit der FiniteIncrement TechnologyEin neuartiger implizit inkrementellerSimulationsansatz – die Finite IncrementTechnology (FIT) bietet eine beträchtlicheZeitersparnis bei der Platinenermittlung, -positionierung sowie der Prozessauslegungund -absicherung. FIT ermöglicht große bissehr große inkrementelle Schritte zurLösung eines Problems und ist wesentlichschneller als konventionelle inkrementelle

Solver, während die Ergebnisse hinreichendgenau mit expliziten Umformsimulationenübereinstimmen. FIT ist daher ideal für dieProzessauslegung und Designoptimierungein- oder mehrstufiger Umformprozessegeeignet. Das Ergebnis der Analyse istneben den Aussagen hinsichtlich derumformtechnischen Machbarkeit auch diefür das künftige Bauteil notwendigeFormplatine.

Ist eine Prozessauslegung mittels der FITAnalyse bestätigt, so kann die Analyse inder Simulationsumgebung FormingSuitedirekt in eine explizite inkrementelle Prozess-simulation überführt werden. Hierbei wer-den die Werkzeuggeometrien weitgehendautomatisiert ermittelt und positioniert.FormingSuite überträgt die definiertenRandbedingungen der einzelnen Prozess-stufen automatisch auf die entsprechendenWerkzeuge. Es stehen weiterhin verschie-dene Tools zur Bearbeitung und Definitionder Formplatine zur Verfügung. Nebendem manuellen Platinenbeschnitt kannMaterial am Platinenrand hinzugefügtwerden und der Platinenbeschnitt kann insogenannte Standardbeschnittformen ge-schachtelt werden. Die explizite inkremen-telle Simulation folgt als Überprüfung desProzesses mit dem berechneten Material-einsatz. Da alle Eingaben aus der zuvordefinierten FIT-Berechnung übernommenwerden, ist die Modellerstellung sehr kom-fortabel und benutzerfreundlich.

Beispiel Beim in Bild 1 gezeigten Bauteil, einem Kon-trollarm, wird zunächst die grün dargestellteHauptform gezogen, bevor in einem zweiten

Prozessschritt die beiden orange darge-stellten äußeren Flansche geformt werden.In einer dritten und letzten Fertigungsstufewerden die Löcher (blau) durchgestellt. AlsWerkstoff für das betrachtete Bauteil kommtein hochfester Stahl mit einer Materialstärkevon 3mm zur Verwendung, die Fertigungerfolgt basierend auf einer Formplatine,welche zunächst zu ermitteln ist.

Bild 1: Bauteil und Definition der 3 Fertigungsstufen

Für die Prozessanalyse ist es notwendig, dieentsprechenden Zwischenstufen vorzugeben.Diese kann man sich als die Wirkflächender zur Formgebung notwendigen Matrizevorstellen, die der Bauteilgeometrie mittangentialer Flächenverlängerung entspricht.Die für den betrachteten Fertigungsprozessnotwendigen Zwischenformen sind in Bild 2dargestellt.

Bild 2: Definition der Zwischenstufen

Weiterhin erfolgt die Definition derWerkzeugbewegungsrichtung und derProzessbedingungen. Diese sind eineNiederhalterkraft für den Ziehvorgang inOperation 10 sowie ein Druckkissen fürbeide nachfolgenden Operationen.

info_01_28-29-fin 28.03.2008 15:25 Uhr Seite 28

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Nach der Simulation, die wenige Minuten benötigt, kann man dieErgebnisse der einzelnen Stufen in der FormingSuite Umgebungauswerten. Hierzu gehören u.a. Blechdickenverteilung, Haupt-formänderungen und das Grenzformänderungsdiagramm.Ferner wird der minimale Platinenbeschnitt berechnet, welchernotwendig ist, das Bauteil zu fertigen (Bild 3).

Bild 3: Mittels FIT-Berechnung ermittelte Formplatine und Sicherheits-zonenverteilung auf der fertigenden Bauteilgeometrie

Bild 4 zeigt die Blechdickenverteilung, die sich in den einzelnenFertigungsstufen ergibt. Werden kritische Bereiche entdeckt, sokann man nun die Fertigungsstufen modifizieren und hat somiteine Möglichkeit, den Prozess zu schnell zu optimieren, bevoreine zeitaufwendige explizite Prozessanalyse durchgeführt wird.Ist man mit dem Prozess zufrieden, kann im Anschluss ein explizitrechnender inkrementeller Solver angestartet werden.

Bild 4: Blechdickenverteilung in den einzelnen Fertigungsstufen

ZusammenfassungZiel der Finiten Increment Technology ist es, ein Tool zur schnellenProzessauslegung und Designoptimierung mehrstufiger Fertigungs-prozesse zur Verfügung zu stellen und dadurch den Bauteil- undProzessentwicklungsvorgang erheblich zu beschleunigen und mehrUnabhängigkeit vom Erfahrungswissen des Prozessingenieurs zugewinnen. Dies wird durch die im Vergleich zu herkömmlicheninkrementellen FE-Programmen kurzen Rechenzeiten und der ein-fachen Softwarehandhabung erreicht.

Stefan Huhn, Forming Technologies Inc., Oakville, Kanada

Tobias Menke, Andre Stühmeyer, CADFEM GmbH

Blechumformung

Tobias Menke

Tel. +49 (0)511-390603-20


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Autoren


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Softwarelösungen

infoplaner 1/200830

ANSYS Professional /Structural / Mechanical / Multiphysics• Lineare Statik//Dynamik• leicht nachvollziehbare Abbildung auch komplexer

nichtlinearer Prozesse• integrierte Kopplung von verschiedenen physikalischen

Disziplinen• Robustheit/Optimierung• Betriebsfestigkeit• Temperaturfelder• Elektromagnetische Felder• Piezoelektrik• Multiphysik• Akustik• Bewegung starrer und flexibler Körper• Strömung, Fluid-Struktur-Kopplung• Implizite und explizite Solver• Zusatzmodule für spezielle Simulationsaufgaben

ANSYS DesignSpace und ANSYS Professional NLS• Konstruktionsnahe Berechnung im 3D CAD-Umfeld

ANSYS CFX• Strömung• Zusatzmodule für spezielle Simulationsaufgaben

ANSYS ICEPAK/Icechip/Iceboard• Thermisches Management für die Elektroindustrie

ANSYS AUTODYN• Explizite, nichtlineare Dynamik mit Schwerpunkt auf

Explosion, Gebäudeschutz, Aufprall von Flugkörpern,Stilllegung von Offshore-Plattformen,etc.

Zusatzlösungen für ANSYS• Materialdatenbank

IDAC Material Database für ANSYS Workbench mit deutscherNomenklatur (Entwickler: IDAC Ltd.)

• Betriebsfestigkeit//FKMRiFEST: Bewertung von FEM-Ergebnissen nach FKM-Richtlinie(Entwickler: IMA Dresden)

• Betriebsfestigkeit/SchwingungSAFD: Statistische Auswertung von Schwingversuchen(Entwickler: RWTH Aachen,Institut für Werkstoffkunde)

• Betriebsfestigkeit/Random VibrationRANfat: Lebensdauerbewertung für Random VibrationAnalysen (Entwickler: CADFEM GmbH)

• SchweißenSST (Schweißsimulationstool): Analyse von Schweißnaht-verbindungen (Entwickler: CADFEM GmbH)

• MechatronikCASPOC: Systemintegration & Leistungselektronik(Entwickler: Simulation Research)

• OptimierungoptiSLang: Multidisziplinäre Optimierung und Robustheits-bewertung (Entwickler: Dynardo GmbH)Hinweis: Dieses Programm ist auch als Standalone-Lösungbzw. für andere FEM-Programme verfügbar.

• OptimierungTOSCA for ANSYS: Parameterfreie Topologie-, Form- undSickenoptimierung (Entwickler: FE-Design GmbH)

• AkustikSBSound: Körperschallbewertung schwingender Strukturen(Entwickler: CADFEM GmbH)

• Schnittstelle zu LS-DYNA (explizite FEM)ANSYS Workbench for LS-DYNA (Entwickler: CADFEM GmbH)

Deutschland: Dr.-Ing. .Jürgen Vogt

Tel. +49 (0)8092-7005-19, E-Mail [email protected]

Schweiz: Roger Stahel

Tel. +41 (0)52-36801-21, E-Mail roger.stahel @cadfem.ch

Österreich: Marc Brandenberger


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Sie benötigen eine Lizenz nur sporadisch?eCADFEM ist ein Service der CADFEM GmbH, der bedarfsgerecht und mit sekundengenauer Abrechnung – daher besonders wirt-schaftlich – die Nutzung weltweit führender Simulationsprogramme ermöglicht. Über das Internet bietet eCADFEM unmittelbaren Zugriffauf ANSYS und weitere FEM-Lösungen und gewährleistet dabei dem Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität und Kostenkontrolle.www.eCADFEM.com

Nicole Töpfer, Tel. +49 (0)8092-7005-34, E-Mail [email protected]

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Software


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n von CADFEM

LS-DYNA• Crash (Fahrzeug)• Falltest• Umformung• Insassensicherheit• Fußgängerschutz• Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)• Containment-Test

LS-OPT• Successive Response Surface MethodLS-PrePost• Pre-und Postprozessor für LS-DYNA

Zusatzlösungen für LS-DYNA• Umformsimulation eta//DYNAFORM:

Blechumformung mit leistungsfähigem Automesher für dieWerkzeugvernetzung (Entwickler:eta,Inc.)

• Schnittstelle/Preprozessor:ANSYS Workbench for LS-DYNA (Entwickler: CADFEM GmbH)

Dr.-Ing. Matthias Hörmann, Tel. +49 (0)8092-7005-41

E-Mail [email protected], www.LSDYNA-Portal.com

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FASTFORM, CATFORM: One-Step-Solver zur Bewertung derUmformbarkeit von Blechbauteilen

FASTBLANK, BLANKWORKS: Berechnung von Platinenzuschnitten

BLANKNEST: Optimale Schachtelung von PlatinenCOST OPTIMIZER: Optimierung von Materialkosten bei

Blechbauteilen

Tobias Menke


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Sie brauchen eine spezielle Lösung?Standardsoftware hat heute zwar ein enormes Anwendungs-spektrum,deckt aber längst noch nicht alle denkbaren Einsatzgebiete derrechnerischen Simulation ab.Viele, vor allem sehr spezielle Bereiche, sind noch nicht besetzt.Ein CADFEM Team aus programmier- undFEM-erfahrenen Ingenieuren mit engem Kontakt zu Forschungseinrichtungen, entwickelt solche branchen-und kundenspezifischenLösungen. Auf Basis von Standardsoftware werden z.B. Tools wie VPS (Lackiersimulation) oder SST (Schweißsimulation) entwickelt.

Dr.-Ing. C. Steinbeck-Behrens, Tel. +49 (0)511-390603-22, E-Mail [email protected]

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LackierprozesseVirtualPaintShop (VPS): VPS ist ein Programmpaket zur Simulationdes Lackierprozesses von Automobilkarosserien.

VPS/DRY: Trocknungsprozess von Karosserien inTunnelöfen

VPS/EDC: Lackabscheidung beim kathodischenTauchlackieren (KTL)

VPS/DIP: Lufteinschlüsse in Hohlräumen oderFlüssigkeitsansammlungen

VPS/CP: Abscheidung und Verlaufen von Wachszum Korrosionsschutz durchFlanschversiegelung

CATIA Toolkit: Innovative Modellierung fürHohlraumnetze

Dr.-Ing. C. Steinbeck-Behrens, Tel. +49 (0)511-390603-22, E-Mail [email protected]

CompositesESAComp: Analyse von Faserverbundwerkstoffen

CADFEM AG, Markus Dutly, Tel. +41 (0)52-36801-01, E-Mail [email protected]

BiomechanikThe AnyBody Modeling System: Muskulosketale Analysez.B. für Ergonomie, Orthopädie, Rehabilitation oder Sport.

Christoph Müller, Tel. +49 (0)8092-7005-43, E-Mail [email protected]

AkustikWAON: Schneller Multipole-BEM-Solver zur Berechnung derSchallabstrahlung auch sehr großer Modelle.

Dr.-Ing.Marold Moosrainer,Tel. +49 (0)8092-7005-45, E-Mail [email protected]

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Software


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Aus der Fachliteratur und den traditionellen Regelwerken ist das Nenn-spannungskonzept für die Schweißnahtberechnung und die Festigkeits-beurteilung bestens bekannt. Bei Berechnungen mit der Finite ElementMethode (FEM) lässt sich dieses Konzept allerdings nur noch beschränktanwenden. Die FKM-Richtlinie [1] bietet hierzu zwei Alternativen.

ANSYS

Schweißnahtberechnung mitFEM und Nachweis nach FKM

infoplaner 1/200832

Im Folgenden werden die eingangs er-wähnten Konzepte und ihr Zusammen-spiel mit der FE-Berechnung anhand einerkonkreten Anwendung beschrieben. Bild1 zeigt den Laufwagen einer einachsigenHandlinganlage mit Linearmotorantriebder Firma Güdel AG in Langenthal (CH).Die FE-Berechnungen erfolgen mitANSYS Workbench mit linear-elastischemMaterialverhalten. Beim Festigkeitsnach-weis beschränken sich die Ausführungenauf die Ermüdungsproblematik. Da dieNutzlast der Linearachse, die Zykluszeitenund die Beschleunigungen variieren, ent-spricht die zeitliche Belastung nicht derfür die Dauerfestigkeit sonst üblichenkonstanten Sinusschwingung. DiesemUmstand wird Rechnung getragen,indem mehrere Lastfälle berechnet wer-den. An den interessierenden Nahtstellenwerden danach die beiden Lastfälleermittelt, welche die größte Spannungs-differenz erzeugen.

Gesamtmodell mit NennspannungsnachweisIm 3D-CAD sind die Nähte selten bis nieenthalten. Besteht eine Schweißkon-struktion aus mehreren Bauteilen, würdeeine komplette Naht-Modellierung raschsehr aufwändig. Dazu kommt, dass dieNähte für eine korrekte Spannungser-mittlung fein zu vernetzen sind und damitdie Rechenzeit exponentiell ansteigt.Deshalb wird nun eine Vorgehensmethodebeschrieben, mit der sich der Aufwandoptimieren lässt.

Im FE-Modell der kompletten Schweiß-konstruktion wird auf die Modellierungder Nähte verzichtet. Die Einzelteile desLaufwagens werden in der Simulationmittels Kontakten verbunden. Dabei istdarauf zu achten, dass bei Spaltabständenlokal keine unrealistischen Versteifungeneingebaut werden. In ANSYS Workbenchsteht hierzu die MPC-Methode zur Verfü-gung. Sie gewährleistet die korrekte kine-matische Kopplung der Bauteile (Bild 2).

Mit dem Gesamtmodell werden dieVerformungen der Struktur berechnetund die heiklen Stellen lokalisiert (Bild 3).Eine direkte Beurteilung der vom Pro-gramm ausgewiesenen Spannungen imBereich der Kontaktverbindungen istjedoch nicht zulässig. Bei geometrischrelativ einfachen Kontaktflächen kann derFestigkeitsnachweis weiterhin mittels desNennspannungskonzepts durchgeführtwerden. Die im jeweiligen Kontakt über-tragenen Kräfte und Momente liefert dasFE-Programm. Zusammen mit den Flächen-kennwerten lassen sich die Nenn-spannungen ermitteln. Deren Beurteilungkann mit der FKM-Richtlinie oder einemanderen anerkannten Regelwerk erfolgen.

SubmodelltechnikDie im Gesamtmodell als möglicherweisekritisch erkannten Bereiche werden imzweiten Schritt mit der Submodelltechniknäher untersucht. Jeder dieser Bereichewird aus dem Gesamtmodell herausge-

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Geschweisster Laufwagen einerLinearachse mit Linearmotor

der Firma Güdel AG.

Normaler Verbundkontakt bei geschlossenem Spalt (links),

MPC-Kontakt bei offenem Spalt (rechts).

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schnitten und in ein eigenständigesModell abgespeichert (Bild 4). Je nachangewendeter Methode wird nun dieSchweißnaht vereinfacht (Strukturspan-nungskonzept) oder geometrisch korrekt(Kerbspannungskonzept) hinzumodelliert.In der anschließenden Simulation werdenvom Programm die aus dem Gesamt-modell erhaltenen Verformungen an denSchnittflächen des Submodells interpo-liert und dem neuen Rechenmodell alsRandbedingungen aufgezwungen.

Um den Modellierungsaufwand und dieRechenzeit möglichst gering zu halten, istman bestrebt, das Submodell in denAbmessungen möglichst klein zu halten.Andererseits müssen jedoch die Schnitt-flächen genügend weit von der auszu-wertenden Stelle sein, damit Interpola-tionsungenauigkeiten und geometrischeUnstetigkeiten keine Resultatverfälschungerzeugen. Die Unstetigkeiten ergeben sichinsbesondere dort, wo die nachträglichhinzugefügten Schweißnähte bis an dieSchnittflächen des Submodells gezogenwerden.

StrukturspannungskonzeptBei Messungen an realen Schweißkonstruk-tionen können die Dehnmessstreifen meistnur neben den Nähten angebracht werden.Mit dem Ansatz der Strukturspannungenwird mit diesen ausserhalb liegenden Mess-werten eine Aussage über das relevanteSpannungsniveau in der Naht gewonnen.

Übertragen auf die FE-Berechnung bedeutetdies, dass die Schweißnaht im Gegensatzzum Kerbspannungskonzept nicht detailge-treu zu modellieren ist, sondern vereinfachtwerden darf. In der Fachliteratur werdendazu verschiedene Methoden beschrieben.Die FKM-Richtlinie macht dazu keinerleiAngaben. Für Kehlnähte wurde an derUniversität Dortmund von der Arbeits-gruppe Chemieapparatebau die CAB-Methode entwickelt (Bild 5). Sie ist modell-technisch einfach anzuwenden, da dieNaht durch einen simplen, fiktiven Ver-rundungsradius ersetzt wird. Die Naht-wurzeln lassen sich damit allerdings nichtbeurteilen. Mit Messungen wurde dieMethode für den Wanddickenbereich von8 bis 80 mm verifiziert.

Beim Festigkeitsnachweis werden die bei-den Nahtübergänge ausgewertet (Bild 6).In diesen Zonen ist deshalb auf eine genü-gend feine Vernetzung zu achten. Mittelsder Vergleichsspannung nach Mises lassensich die Stellen mit den höchsten Bean-spruchungen lokalisieren. Für den Festig-keitsnachweis werden jedoch die Haupt-spannungen benötigt. Für Strukturspan-nungen definiert die FKM, analog denNennspannungen, sogenannte Bauteil-klassen mit entsprechenden Grenzwerten.So gilt für unbearbeitete Kehlnahtübergängedie Wechselfestigkeit FAT=100 MPa (vgl. [1]Tab. 5.4.3 Nr. 400). Gemäss dem Autoren-team der CAB-Methode [2 und 3] würdeder Wert 103 MPA betragen.


ANSYS

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4Zugeschnittenes Submodell mit den

grün markierten Schnittflächen.

5CAB-Methode für Kehlnähte.

Berechnung des gesamten Laufwagens. Die Ergebnisse werden für die nachfolgende Submodellberechnung gespeichert. Rechts die Schweissverbindung, für welche der Festigkeitsnachweis geführt wird.


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Kerbspannungskonzept Bei diesem Konzept wird die Schweißnahtinklusive der Wurzel geometrisch korrektmodelliert. Theoretisch scharfe Übergängewerden mit dem Radius 1 mm verrundet(Bild 7). Dieser Ersatzradius stützt sich aufdie bekannte Kerbtheorie von Neuber.Der Modellieraufwand ist in der Regel umEiniges grösser als bei der CAB-Methode.Es ist nämlich sicherzustellen, dass derKraftfluss ausschliesslich über die Nähteerfolgt. Dies bedingt bei Kehlnähten ent-sprechende Freistellungen und sorgfältigeVerrundung der Nahtwurzeln. In räum-lichen Ecken kann die Modellierung ganzschön knifflig werden.

Diese Methode eignet sich für die Berech-nung beliebiger Nahtformen. Bei Blech-stärken unter 5 bis 6 mm ist jedoch Vorsichtgeboten, da der 1 mm grosse Radius dieFlächenverhältnisse beeinflussen kann. Einentsprechend kleinerer Radius dürfte insolchen Fällen für den Praktiker die Lösungsein. Dem Wissen der Verfasser zufolgegibt es dazu jedoch noch keine gesicher-ten Untersuchungen.

Die höchstbelasteten Stellen befindensich in der Regel in den Ersatzradien R1(Bild 8). Sie sind deshalb genügend feinzu vernetzen. In der Literatur sind dazuunterschiedliche Angaben zu finden. DieFKM nimmt dazu keine Stellung. Wieimmer ist letztlich der Berechnungs-ingenieur für die Qualität seiner Analyseverantwortlich. Für die so berechnetenörtlichen Spitzenspannungen gilt für denFestigkeitsnachweis nach FKM dieWechselfestigkeit FAT=225 MPa.

Festigkeitsnachweis nach FKMUnabhängig davon, welches der beidenvorgängig beschriebenen Konzepte ange-wendet wird, sind für jeden Nachweis-punkt und jeden Lastfall die drei Haupt-spannungen auszuwerten. Durch Vergleichder verschiedenen Lastfallergebnisse wirdvereinfachend die Paarung mit der größ-ten Spannungsdifferenz ermittelt. Darausergeben sich die Spannungsamplitudeund die Mittelspannung. Als Erstes werdendiese beiden Werte konstant angenommen,obschon die anderen Lastfallkombina-tionen tiefere Werte ergeben.

Für fachgerecht geschweißte Bauteile ausschweißbarem Baustahl gilt sowohl fürden Nahtübergang wie auch für die Wurzeldie Wechselfestigkeit W = 92 MPa. Zubeachten ist, dass dieser Wert unabhängigvon der Art des Stahls ist. Eine zu hoheAuslastung einer Schweißnaht kannsomit nicht mit einem besseren Stahlreduziert werden.

Die Wechselfestigkeit (Amplitude) von 92 MPa bleibt beim Kerbspannungs-konzept erhalten. Für die CAB-Methodereduziert sie sich jedoch dem FAT-Verhältnis (100/225) entsprechend auf 41 MPa. Damit wird dem UmstandRechnung getragen, dass die von derSchweißnaht erzeugte Kerbwirkung beidieser Modellierungsmethode nicht inErscheinung tritt.

Erzeugt die Belastung in der Naht keinereine Wechselbeanspruchung, ist dies mitdem sogenannten Mittelspannungsfaktorzu berücksichtigen. Die Besonderheit liegthier darin, dass die durch den Schweiß-vorgang erzeugten Eigenspannungen

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7Idealisierung der Nahtgeometrie fürdas Kerbspannungskonzept nach FKM

8Berechnung des Kerbspannungs-Submodells; Geometrie (links), Vergleichsspannung (Mitte) und Hauptspannung (rechts) in den Verrundungsradien R1.

Berechnung des CAB-Submodells; Geometrie (links), Vergleichsspannung (Mitte) undHauptspannung (rechts) entlang den Nahtübergängen.

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mitberücksichtigt werden. Obige Wechsel-festigkeiten gelten für hohe Eigen-spannungen. Wird durch geschickteKonstruktion und Schweißfolgeplanungsichergestellt, dass die Eigenspannungennur mässig oder durch Spannungsarm-glühen sogar gering sind, können dieGrenzwerte erhöht werden. Bei reinwechselnder Beanspruchung kann dieseVerbesserung 50 % ausmachen. Je höherdie Mittelspannung aber wird, umsokleiner wird dieser Gewinn. Bei hohenMittelspannungen lässt sich, aus diesemStandpunkt betrachtet, ein Spannungs-armglühen nicht mehr rechtfertigen.

Als Letztes kann nun noch positiv gewertetwerden, dass die Beanspruchung nichtpermanent dem eingesetzten Höchstwertentspricht. Für den Fall, dass der zeitlicheVerlauf nicht bekannt ist, definiert dieFKM sogenannte Normkollektive. In Ver-bindung mit der Lastwechselzahl über diegesamte Lebensdauer des Bauteils ergibtsich die Beanspruchungsgruppe. Für dievorliegende Konstruktion wurde die zweit-höchste Gruppe B6 angenommen. DieGrenzamplitude für die sogenannte Bauteil-Betriebsfestigkeit darf dadurch um 36 %erhöht werden ([1] Tab. 5.7.1).

Bezüglich Ermüdungsfestigkeit definiert dieFKM einen Grundsicherheitsfaktor von 1,5.Damit können für die drei Hauptspannungs-amplituden die Auslastungsgrade ermitteltwerden. Ein Auslastungsgrad unter 100 %bedeutet, dass zusätzlich zum vorgege-benen Sicherheitsfaktor noch zusätzlicheReserven existieren.

Da die FKM bei Schweißnähten dieNormalspannungshypothese vorschreibt,entspricht der höchste Auslastungsgradder drei Hauptspannungen auch gleich-zeitig dem Auslastungsgrad für den räum-lichen Spannungszustand.

Vergleich der KonzepteDer Vergleich der beiden Konzepte (Bild9) zeigt für die beschriebene Anwendungeine sehr gute Übereinstimmung. Dies ob-schon die Wandstärke der Vierkantrohrefür beide Konzepte unterhalb des jeweilsoffiziellen Geltungsbereichs liegen. Dassdie CAB-Methode gegenüber dem Kerb-spannungskonzept eine leicht höhere Auslastung aufweist, bestätigt mindestenstendenzmässig die Aussage in [2], wonachsie eher konservative Werte liefert.

[1] Forschungskuratorium Maschinenbau FKM:

Rechnerischer Festigkeitsnachweis für

Maschinenbauteile, 2003

[2] Cadfem AG, Aadorf, Kursunterlagen

»Schweißnahtberechnung«

[3] J. Rudolph, M. Rauth, E. Weiss;

Modellgebundener Strukturspannungs-

nachweis für zyklisch beanspruchte Zylinder-

Stutzenverbindungen ohne Schweißnaht-

nachbearbeitung; TÜ-Zeitschrift 43 (2002),

Nr. 6, Seite 19/26

[4] J. Rudolph; Zur rechnerischen Bauteil-

Ermüdungsfestigkeit unter dem besonderen

Aspekt der Schweißnahtnachbearbeitung:

Habilitationsschrift Universität Dortmund, 2003

Dieser Beitrag ist in der Zeitschrift Schweizer Maschi-

nenmarkt SMM/Ausgabe 18/2007 erschienen.

Alle Bilder Firma Schmied Engineering

Beat Schmied, Lukas Steiner,

Schmied Engineering GmbH

www.schmied-engineering.ch

Autoren

Bilder

Hinweis

Literatur


Konzept Strukturspannung KerbspannungBerechnete Spannungsvariation -65 +/-35 MPa -110 +/- 75 MPa

Nachweis FKMZulässige Grundamplitude (FAT 225) 92 MPa 92 MPaWechselfestigkeitsamplitude (Reduktion mit Bauteilklasse FAT) 41 MPa 92 MPaDauerfestigkeistamplitude (Einfluss der Mittelspannung) 48 MPa 108 MPaBetriebsfestigkeitsamplitude (Berücksichtigung Lastkollektiv) 65 MPa 145 MPaSicherheitsfaktor 1.5 1.5Auslastung 80 % 76 %

Vergleich der beiden Nachweiskonzepte 9

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Panometer Dresden

Weit öffnet sich de Blick von der zwölf Meter hohen Besucherplattform in der Mitte des aufgespannten360°- Panoramagemäldes „1756 D esden“ im Panometer Dresden über das barocke Dresden und seinereizende Umgebung. Asisi ©

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Panometer Dresden

Dresden 1756

Prächtige Palais und stattliche Bürgerhäuser, kostbar ausgestattete Kirchen undmächtige Festungsanlagen – im Sommer des Jahres 1756 ist die kursächsischkönigliche Residenz Dresden eine prachtvolle Metropole. Entdecken Sie denMythos des barocken Dresden und folgen Sie Yadegar Asisi in seinem monumen-talen Panoramagemälde "1756 Dresden" im Panometer Dresden hinauf auf denTurm der Hofkirche. Von hier aus öffnet sich im Maßstab 1:1 der Panoramablickweit über die quirlige Stadt. Handwerker sitzen rittlings auf dem Kirchendach,Marktleute und Müßiggänger bevölkern die Straßen. 6000 verschiedeneBildbearbeitungsebenen verleihen dem 106 Meter langen und 27 Meter hohenRundgemälde eine ungewöhnliche Detailliertheit. Ausstellungsgebäude für dasPanoramagemälde ist der kleine Gasometer der DREWAG in Dresden-Reick. AlsPanometer Dresden hat das lange Zeit ungenutzte zylinderförmige Industrie-denkmal aus dem Jahr 1880 seit dem 9. Dezember 2006 eine neue Bestimmunggefunden.

www.panometer.de

Dresden 2007

„Converge“ – Zur ersten gemeinsamen Anwenderkonferenz von CADFEM,ANSYS Germany und Fluent Deutschland, einer 100%igen Tochtergesellschaftvon ANSYS, Inc., fanden vom 21. bis 23. November 2007 in Dresden über1.000 Teilnehmer zusammen. Zahlreiche Vortragssessions und Workshops, diegroße Fachausstellung und viel Raum für Diskussion und Austausch bildetenfür CAE-Anwender aus den Bereichen Strömung, Struktur und Multiphysik eindichtes und vielfältiges Informationsangebot.

www.usersmeeting.com

Beeindruckend: Blick aus der Vogelperspektive auf das Panoramagemälde „1756 Dresden“. ©Asisi

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Die besonderen Eigenschaften und Vorzüge von Gussbauteilen und die sich daraus ergebenden Konsequenzenfür die FE-Berechnung und Optimierung beschreibt dieser Artikel der schweizerischen Gießereigruppe vonRoll casting.

ANSYS

Konstruieren mit Gusswerkstoffen

infoplaner 1/200838

Das Gießen ist heute als Formgebungs-verfahren aktueller denn je. Zum einendecken die zur Verfügung stehendenGusswerkstoffe einen breiten Bereich anAnforderungen bezüglich mechanischerund physikalischer Eigenschaften ab. Zumanderen ist man in der Gestaltung derGussteile weitgehend frei. Dadurch könnennicht nur viele Funktionen gleichzeitig undeinfach in ein Teil integriert werden, sondernsie lassen sich auch endmaßnah herstellen.

Der Konstrukteur, der sich mit dem Designvon Gussteilen beschäftigt, muss sich derfolgenden Besonderheiten bewusst sein:

• Eine Topologieoptimierung lässt sich miteinem Gussteil nahezu kompromisslosumsetzen

• Kein Gussteil ist im Gusszustand ohne Eigenspannungen

• Gusswerkstoffe haben andereEigenschaften als die vergleichbarenWalzprodukte

Diese und andere Besonderheiten werdennachfolgend aufgezeigt und diskutiert.

GusswerkstoffeDie Physik stellt an den Herstellprozesseinige Herausforderungen. Diese sind darinbegründet, dass der Gusswerkstoff währendder Erstarrung – d.h. vom flüssigen bis zumfesten Zustand – in der Regel mehrere Phasen(Gitterstrukturen/Gefüge) durchläuft, dieverschiedene Eigenschaften aufweisen. Soändert sich während der Erstarrung unteranderem das Volumen und die Löslichkeitfür Gase, was dazu führt, dass je nach Guss-

werkstoff in unterschiedlichem AusmaßSchwindungsfehler und Gasporen entste-hen. Diese können nur durch ein auf dasGussteil angepasstes Gieß- und Speisungs-system verhindert werden. Von der Erstar-rung bis zur Raumtemperatur findet eineweitere Volumenabnahme statt (Festkörper-schwindung), weshalb die Gießereimodellemit Aufmaß hergestellt werden.

Werkstoffe werden durch ihre mechani-schen und physikalischen Eigenschaftencharakterisiert. Erstere sind für die Bauteil-dimensionierung maßgebend, wobei immerauch die physikalischen Eigenschaften wieEinsatztemperatur, Korrosionsbeständig-keit, Verschleißeigenschaften usw. mitbe-stimmend sind. Gusseisen nimmt unter denGusswerkstoffen insofern eine besondereRolle ein, weil es im Wesentlichen aus zweiKomponenten besteht. In einer metallischenGrundmatrix (Eisen) ist Graphit (kugelig oderlamellar) eingelagert. Je nach Menge undForm der eingelagerten Graphitteilchen er-geben sich unterschiedliche Eigenschaften:

• Die Dichte von Gusseisen ist generell ca. 10 % niedriger als bei Stahl.

• Durch den Graphit und seine Form wirdder E-Modul beeinflusst – er wird kleinerim Vergleich zu Stahl. Bei Gusseisen mitKugelgraphit ist der E-Modul um14 – 17 % kleiner und bei Gusseisen mitLamellengraphit sogar um 30 – 60 %.

• Die Bruchdehnung sinkt ebenfalls undliegt bei Gusseisen mit Kugelgraphit beimax. 22 % und bei Gusseisen mitLamellengraphit bei max. 0,8 %!

• Der eingelagerte Graphit führt dazu,dass Gusseisen vibrationsdämpfend,

wärmeleitend und selbstschmierendwirkt.

Das Gefüge metallischer Legierungen wirdunter anderem durch die Abkühlbedingungengeprägt. Eine schnellere Abkühlung führtzu einer feineren Korngröße und damit zuhöheren Festigkeiten. Gusseisen z.B. reagiertausgeprägt auf Wanddickenunterschiede,weshalb die Festigkeiten und Bruchdehnungenin den Normen jeweils für Wanddickenbe-reiche definiert sind. Der Konstrukteur mussdies bei der Dimensionierung berücksichtigen.

EigenspannungenDie in Gusswerkstoffen immer auftretendenEigenspannungen entstehen durch unter-schiedliche Abkühlgeschwindigkeiten beider Schwindung des erstarrten Bauteils.Weil innerhalb der komplexen Geometrieeines Gussteils einige Bereiche früher undandere später erstarren bzw. zu schwindenbeginnen, entstehen Druck- und Zugeigen-spannung. Dies ist am Beispiel des Span-nungsgitters (Bild 1) klar zu erkennen, wodie schnell abkühlenden dünnen Stegeunter Druckeigenspannungen und derlangsam abkühlende mittlere Steg unterZugeigenspannungen stehen. Das Prinziplässt sich auf fast alle gegossenen oderabgeschreckten Bauteile übertragen.

Bei der nachträglichen mechanischenBearbeitung von Gussteilen wird Materialentfernt, wodurch sich die Eigenspan-nungen in einem kleineren Volumen neuanordnen müssen – das Bauteil kann sichverformen. Im ungünstigsten Fall entstehenRisse und das Bauteil versagt.


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Um die Eigenspannungen möglichst tief zu halten, kann der Gießerdas Gießsystem optimal gestalten und das Gussteil langsam in derForm abkühlen lassen. Nachträglich können durch Spannungsarm-glühen die Eigenspannungen reduziert werden.

Optimierung von Gussteilen mittels Finite Element AnalyseDie gießtechnische Optimierung von Gussteilen erfolgt mit ent-sprechenden Programmen, welche den Gießprozess, z.B. Form-füllung und Erstarrung, simulieren. Damit lassen sich gießtechnischeVarianten vergleichen und evaluieren.

Die FE-Analyse übernimmt bei der Optimierung von Gussteilenandere Aufgaben:

• Klassische Dimensionierung• Finden von Leichtbaulösungen bei

gleichbleibender Funktion (Bilder 2 und 3)• Substitution von Schmiede- oder Schweißteilen

durch Gussteile• Schadenanalyse: liegen Werkstoff- oder

Konstruktionsfehler vor• Nachweis des Einflusses von Gussfehlern

(z.B. Volumenfehler) auf die Bauteileigenschaften (Bild 4)

Für die Gewichtsoptimierung von Bauteilen stehen heute Programmewie ANSYS zu Verfügung, welche eine automatisierte Topologie-optimierung aufgrund von physikalischen und geometrischenRandbedingungen ermöglichen. Dabei geht es allein darum,Material so im Bauteil zu verteilen, dass die Spannungen homogenauftreten und eine gleichmäßige Elastizität gewährleisten.

Bild 2 zeigt ein klassisches Beispiel, wie die Optimierung von einermassiven, steifen zu einer schlanken, elastischen Rippenkon-struktion geführt hat.

ZusammenfassungGussteile haben im Vergleich zur Herstellung von Schweiß- oderSchmiedekonstruktionen einige Vorteile. Diese sind im Wesentlichen

• die freie Gestaltung der Form,• die Integration vieler Funktionen in ein Teil,• die endmaßnahe Herstellung kompliziertester Teile und• die kostengünstige Herstellung.

Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften von Gusswerkstoffen,bieten sich diese in idealer Weise als Substitutionswerkstoff fürSchweiß- und Schmiedeteile an. Das gilt in besonderen Maße fürGusseisen mit Kugelgraphit mit seinen Sonderlegierungen undGefügevarianten (ADI). Diese sind für fast alle Anwendungen, wiez.B. Sicherheitsteile mit hoher Festigkeit und guter Zähigkeit geeignet.

Bei der praktischen Konstruktionsarbeit ist zu beachten: „JedesGussteil weist Eigenspannungen auf!“ Dies gilt für alle Gusswerk-stoffe, ob Gusseisen, Aluminium- oder Magnesiumguss. DieseSpannungen zu kennen ist eine wichtige Aufgabe des Berechnungs-ingenieurs. Moderne Simulationswerkzeuge können selbst Eigen-spannungen und ihre Veränderung durch eine mechanische Bear-beitung vorhersagen. Diese Eigenspannungssituation kann derKonstrukteur in sein Finite Element Programm importieren, so dasser die FE-Analyse an einem „realen“ Gussteil durchführen und damitdie Wirklichkeit noch besser abbilden kann.

Dr. Anton Rechsteiner, vonRoll casting Gruppe

Dieser Beitrag wurde auf dem 12. Schweizer CADFEM Users´ Meeting 2007

präsentiert.

Hinweis

Autor


Bild 1: Die unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeit im mittleren und den äusseren Stegen führen zu Eigenspannungen (Bild Magma GmbH).

Bild 2: Das Gewicht eines schweren, massiven Kanaldeckels konnte mit einer geeigneten Rippen-form von 70 kg auf 42 kg reduziert werden (Bilder vonRoll hydro).

Bild 3: Die optimierte Rippenform ermöglicht eine Homogenisierung der Spannungen über den ganzen Deckel.

Bild 4: Simulation des Einflusses einer Fehlstelle auf die Bauteilfestigkeit.

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ANSYS


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Seit 2007 existiert der CADFEM Geschäftsbereich Medical. Ziel ist es, ausdem „klassischen“ Ingenieurwesen abgeleitete Methoden der rechne-rischen Simulation in die praktische Medizin zu übertragen. Innerhalbdieser noch sehr innovativen und dynamischen Thematik „Simulation undMedizin“ adressiert CADFEM verschiedene Bereiche und kooperiert mitausgesuchten Forschungseinrichtungen. CADFEM bietet in diesem BereichSoftwarelösungen, Consulting-Dienstleistungen und Fachseminare undentwickelt eigene Produkte und Schnittstellen.

Medizin und Biomechanik

CADFEM Medical


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Materialise und CADFEM: DurchgehendeProzesskette bei der Implantatentwicklung

Aufnahmen aus verschiedenen medizini-schen Tomografie (bildgebenden)-Verfahrenkönnen mit Softwareprodukten von Mate-rialise in Geometerien transformiertwerden, die sich als Ausgangsmodell fürFEM-Simulationen eignen. Die Zusammen-arbeit von CADFEM mit Materialise hatdie effiziente Gestaltung dieser Prozess-kette zum Ziel.

Strukturen aus dem Körperinneren desMenschen werden durch bildgebendeVerfahren wie die Computertomografie(CT) oder die Magnetresonanztomografie(MRT) „fotografiert“. Aus diesen Aufnah-men generiert die Software Mimics bio-mechanische Modelle, die durchaus mitCAD-Modellen aus dem herkömmlichenIngenieurwesen vergleichbar sind. DieFirma Materialise gehört zu den Spezialistenauf diesem Gebiet, die mit Mimics und 3-matic dafür ausgezeichnete Software-produkte entwickelt und vertreibt. Weildiese Daten auch als Ausgangsmodell fürFEM-Simulationsanwendungen dienenkönnen, haben CADFEM und Materialiseeine Kooperation begonnen. Im erstenSchritt der Zusammenarbeit bieten CAD-FEM und Materialise auch die Produkteund Kompetenzen des anderen Partnersmit an. Ziel ist es, für den Bereich der Bio-mechanik eine effiziente, durchgehendeProzesskette von der Modellerstellung biszur FEM-Berechnung zu schaffen.

MaterialiseInsbesondere für Rapid Prototyping werdenvon Materialise zahlreiche Softwarepro-dukte für industrielle und medizinischeAnwendungen angeboten. Überwiegend immedizinischen Bereich wird das ProgrammMimics eingesetzt.

Mit Mimics können die CT- oder MRT-Bilddaten besonders benutzerfreundlichsegmentiert und hochwertige 3D Geo-metriemodelle erstellt werden. Ohne überdie Flächenrückführung gehen zu müssen,kann dann 3-matic diese Modelle wie beim„klassischen“ CAD editieren. wie z.B. derVerschnitt von Knochen mit Implantaten. Die so gewonnenen Geometriedatenbieten eine ideale Basis für eine weiter-führende FEM-Berechnung.

Beispiel KieferimplantatEin anschauliches Beispiel für die skizzierteProzesskette für biomechanische Simu-lationen ist die Berechnung eines patien-ten-individuellen Kieferimplantats. Die komplette Geometrieerstellung erfolgtüber Materialise Produkte: Die CT-Aufnahmedes Kiefers des Patienten wird mit Mimicssegmentiert, und als wasserdichtes STLherausgegeben. Mit 3-matic wird dieKiefergeometrie aufbereitet und einpatienten-individuelles Implantat model-liert. Schließlich wird dieses Implantatüber das Rapid Prototyping Verfahrenhergestellt und vom Arzt eingesetzt.

An dieser Stelle kann schon in naherZukunft im Sinne der Qualitätssicherungeine FEM-Simulation helfen, dasImplantat auf seine Festigkeit oderLebensdauer zu untersuchen, möglicheSchwachstellen, beispielsweise Kerben,frühzeitig zu erkennen und letztendlichdie Geometrie patienten-individuell zuoptimieren.

CADFEM entwickelt derzeit ein anisotropes,

hyperelastisches Materialgesetz auf der Basis der

Arbeiten von Prof. Holzapfel (TU Graz), das sich

insbesondere für biomechanische Fragestel-

lungen eignet. In einem weiteren Projekt wird

zudem ein Materialgesetz für die Simulation von

temperaturabhängigen Formgedächtnislegie-

rungen programmiert.

6th Medical Innovations Conference Vienna 2008

Materialise veranstaltet diese große internatio-

nale Veranstaltung vom 30. – 31.Mai 2008 in

Wien. CADFEM wird dort einen FEM-Workshop

anbeiten. www.materialise.com/MIC

Geschäftsbereich CADFEM Medical

Christoph Müller

Tel. +49 (0)9092-7005-43


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Veranstaltung

Neue Materialgesetze in der Biomechanik


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Das Softwarepaket „AnyBody ModelingSystem“ wurde entwickelt, um diemenschlichen Muskel- und Gelenkkräftebei einer definierten Bewegung zubestimmen. Dies erlaubt Rückschlüsse da-rauf, wie ein Produkt oder ein Gerät fürden Nutzer ergonomisch optimal gestal-tet werden kann. CADFEM hat AnyBodyim Jahr 2006 in sein Portfolio aufgenom-men und bietet neben der Software allebegleitenden Services wie Beratung,Schulung und Support an. Zudem führtCADFEM auch Consultingprojekte mitAnyBody durch. AnyBody basiert auf derinversen Dynamik. Im Gegensatz zueinem Mehrkörpersystem (MKS), bei dem

die resultierende Bewegung aus denKräften bestimmt wird, werden beiAnyBody die resultierenden Kräfte ausder Bewegung ermittelt.

Die Einsatzgebiete sind vielfältig: DieAnalyse und Optimierung von Bewe-gungen im Sport, Untersuchungen derGelenkkräfte für die Orthopädie, ergono-mische Untersuchungen bei der Fahrzeug-auslegung oder die Bestimmung vonRandbedingungen für FEM-Simulationen,z.B. Implantatberechnungen.

AnyBody wird in Dänemark von derAnyBody Technology A/S entwickelt und

ist seit 2005 kommerziell verfügbar. DassBedarf an einer Lösung wie AnyBodybesteht, zeigt die Nachfrage nach dieseminnovativen Produkt aus sehr unter-schiedlichen Branchen: Während einnamhafter Sportartikelhersteller seineSportgeräte mit AnyBody nach ergonomi-schen Gesichtspunkten optimiert, setztdas Ford Forschungszentrum in AachenAnyBody für Analysen der Anordnungwichtiger Elemente im Fahrzeugcockpitein, z.B. der Pedale.

Neben den Anwendern aus der Industriegehören bereits mehrere renommierteBiomechanik-Labore wie z.B. das Institutfür Unfallchirurgische Forschung undBiomechanik der Universität Ulm, dieCharite Berlin oder die Kinderorthopädiein München-Großhadern zum Kunden-kreis von AnyBody.

Alexander Nolte

Tel. +49 (0)8092-7005-49


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Autos, Sportgeräte, Biomechanik-Labore – die Software AnyBody wird von Anwendern aus verschiedenenBereichen eingesetzt, um Produkte nach ergonomischen Gesichtspunkten zu optimieren.

Optimierte Ergonomie durch virtuelle Muskelspiele


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Quelle: Ford Forschungszentrum Aachen


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AnyBody und ANSYS:Gekoppelte Analyse eines Implantats

Implantate werden vielfältig eingesetzt:Als künstliche Gelenke (Hüftendopro-these, Knieendoprothese), als Zahnersatzoder in Form eines „Knochenverbinders”(Osteosynthese). Die reine Festigkeitsbe-rechnung mit der FEM stellt heute keinProblem mehr da. Jedoch ist die Bestim-mung realistischer Randbedingungen nichteinfach.

Sollen die auftretenden Spannungen aneinem Implantat berechnet werden, isteine FEM-Berechnung ein adäquatesWerkzeug – sofern die Lastannahmenrealistisch sind. Genau hier liegt dieSchwierigkeit, wenn die entscheidendenKraftwirkungen auf biomechanischenProzessen beruhen. Derartige Lastdefini-tionen sind sehr komplex, aber die Qualitätdes Berechnungsergebnisses steht und fälltdamit. Abhängig von der jeweiligen Körper-bewegung variieren die auf das Implantatwirkenden Kräfte. Das Heben einer Tasse,das Steigen einer Treppe oder das Öffneneiner Türe. Hier setzt ein Tool wie AnyBodyan: Mit AnyBody lassen sich beliebigeBewegungen simulieren und die resul-tierenden Gelenkkräfte bestimmen. Diese

Informationen helfen, die vielen verschie-denen Lasten zu definieren, die im Alltagdes Patienten das physikalische Verhaltendes Implantats beeinflussen, also für dieFEM-Berechnung relevant sind.

Beispiel aus der PraxisEin namhafter Implantathersteller vonOsteosynthese-Produkten hat ein neuesImplantat entwickelt, dessen Spannungennoch ermittelt werden müssen. Da keineInformationen über die realen Kräfte vorliegen, wurden in einer Analyse mitAnyBody die während einer Standard-bewegung auftretenden Kräfte auf denKnochen ermittelt. Diese Kräfte wurdenin ein reduziertes FEM-Modell überführt.Dadurch konnten u.a. zuvor unbekannteTorsionsmomente bestimmt werden, dieden Knochen belasten und entsprechendeAnpassungen des Implantats vorgenom-men werden.

OZEN Engineering, Inc. Partner von CADFEM in

den USA (siehe Seite 41) hat Any2Ans, die

Schnittstelle zwischen AnyBody und ANSYS

Workbench, fertig gestellt. Speziell im Bereich der

Strukturmecahnik öffnet sich ANSYS damit für

Lastdefinitionen der Biomechanik.

Schnittstelle von AnyBody zu ANSYS

Nach der Bestimmung der Gelenkreaktionskräfte auf den Radius während einer beliebigen Bewegung werden diese unter Berücksichtigung des Implantats nachANSYS exportiert. Das Ergebnis ist eine detaillierte Spannungsanalyse des Implantats unter der in AnyBody berechneten Lasten.


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The mission offTechNet Alliance is to offer CAE services including best-of-class software,unique expertise, training courses, consulting, support and customization through an inter-national network of independent member companies. Membership to TechNet Alliance isby invitation only.There are three types of members: Charter Members, Honorary Members,and Corporate Members.

CADFEM Partner

TechNet Alliance –Your Global CAE Partner

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Charter Members of TechNet Alliance arecompanies who offer CAE Services andtechnology, but also business support ser-vices (e.g. legal consultancy, marketing).Charter members acknowledge that thereturn on the membership fee investmentis not always direct cash. It is a differentcurrency: partnership, business relations,market expansion, access to new technology,reduction of cost, and business connectionsaround the globe.

However, TechNet Alliance is not limitedto Charter Members only: HonoraryMembership status is offered to scientistsand engineers from universities/researchinstitutes and renowned industry profes-sionals. Leading companies who are staunchusers of CAE technology are encouragedto join as Corporate Members .

Besides membership TechNet Alliance offersthe status of affiliation for associations andsponsorship for hardware manufacturersand software providers. The organizationgoverns itself via a set of “Operating Proce-dures” designed as a framework for businesscollaboration, which is based on trust andrespect.

The TechNet Alliance members have pro-duced innovative technology solutionsavailable in the field of Computer AidedEngineering. From the simulation of virtualcompounds and composites, to the explo-ration of nanotechnology, TechNet Alliancemembers offer a wide range of materialsimulations.

In the field of biotechnology, they can pro-vide solutions for modeling the entirehuman body or stent devices. Beyond thesimulation of standard manufacturing pro-cesses such as forging, casting, metal for-ming, machining, and injection molding,TechNet Alliance also boasts a solution forsimulation of the automotive paintingprocess – both deposition and drying. Inelectronics, our members offer solutionsfor MEMS, electronics packaging, dropshock analysis, and magnetic motor and elec-tric power simulations. Computational fluiddynamics is another area where TechNetAlliance members are unique.

Within the membership, solutions are avai-lable for fire safety, explosion simulation,aero-elasticity, fluid-structure interaction,rotor dynamics, or crashworthiness simu-lation. Furthermore, the group offers testingsolutions such as a virtual automotive pro-ving ground, virtual nanolab, crash testsimulation (including crash test dummies),and experimental dynamics.

To learn more about the many unique andinnovative solutions TechNet Alliance offers,please visit our website.

www.technet-alliance.com

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CADFEM Partner

TechNet Partner in California: Ozen Engineering

The Ozen team has become a leader in thewhole Bay Area in applying simulationtechnology and FEA to MEMS, FractureMechanics and Fatigue, Ball Grid Arrays(BGA’s), Heat Transfer, Dynamics and CFD.The consulting expertise developed by thecompany in those disciplines is testified bythe continuously updated list of its topreferences.

Biomedical Analysis: AnyBody & ANSYSAnother branch of expertise for the Ozenteam is the one related to BiomedicalAnalysis, with particular regards to themodelling of the mechanics of the humanbody: the company has recently developedits own Java-coded program “Any2Ans”,which allows the coupling betweenAnyBody and ANSYS packages. The pro-duct has been recently unveiled to thepublic during a conference at StanfordUniversity (California), further develop-ments of the software are currently beingplanned.

The most relevant news for the company isthe recent establishment of a new joint-venture with two major founding membersof the TechNet Alliance: CADFEM andEnginSoft. In full accordance with theTechNet Alliance spirit, the new partners-hip is aimed at combining the consultingexpertise, engineering talent and productknowledge of each single member into asingle subject so as to better serve the NorthAmerican market and therefore also catching,together, new business opportunities.

The mentioned agreement as already led toa first concrete step: a new office has beenplanned in the Greenville County (SouthCarolina). The location sounds really promi-sing in terms of business opportunities forthe CAE consulting market, especially withrespect to the automotive industry, sincemany companies operating in such field areplanning to open an office in that area. Inaddition to that both the ClemsonUniversity, BMW, Timken Research, and theAmerican Society of Automotive Engineers

(SAE) have already confirmed their futurepresence in a district that it is likely to be-come an excellent research center for theautomotive industry.

Alberto Bassanese, Ozen Engineering, In.

www.ozeninc.com

Autor

Ozen Engineering Inc, California’s sole distributor and consultant for ANSYS, is jump-starting its plans to expand its global customer baseby means a new series of initiatives and partnerships. Founded in 2003 by Dr. Metin Ozen it currently has seven full time employees. Metinbrings with him 25 years of experience in Applied Mechanics together with an outstanding passion for numerical calculations.


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ZusammenfassungIn der modernen Fahrzeugentwicklung werden einerseits auf-grund hoher Qualitätsanforderungen und andererseits aufgrundwachsender Rechnerleistungen immer mehr Gesamtfahrzeug-simulationen durchgeführt. Bei hinreichend steifen Strukturen liefertdie Methode der klassischen Mehrkörpersimulation hinreichendgenaue Ergebnisse. Im Bereich der Schlechtwegsimulation tretenjedoch Situationen auf, bei denen das durch Bodenwelligkeit undFahrgeschwindigkeit definierte Frequenzspektrum der Anregungmit dem Eigenfrequenzspektrum des Fahrzeugs überlappt. In sol-chen Fällen ist es notwendig, die elastischen Eigenschaften derbetreffenden Bauteile zu berücksichtigen, was auf den Begriff derhybriden Mehrkörpersysteme führt. Hierzu wurde in den letztenJahren eine Methode etabliert, die in zahlreichen Mehrkörper-simulationsprogrammen implementiert ist und die es gestattet,linear elastische Strukturen durch Ersatzmodelle mit endlich vielenFreiheitsgraden abzubilden.

EinleitungEin Bestreben der Automobilindustrie besteht darin, bereits in frü-hen Entwicklungsstadien umfassende numerische Simulationendurchzuführen, um das Systemverhalten der Fahrzeuge berechnenund optimieren zu können. Hierzu werden neben aerodynami-schen Simulationstechniken die etablierten Disziplinen wie dieMehrkörperdynamik und die Methode der finiten Elemente ein-gesetzt. Neuerdings gibt es intensive Bestrebungen, das nieder-frequente Akustik- und Geräuschverhalten von Fahrzeugen beiFahrten auf rauen Straßenoberflächen zu simulieren. Von beson-derem Interesse ist die entwicklungsbegleitende Simulation desLebensdauerverhaltens von Aggregate- und Fahrwerkbauteilen

sowie von Karosseriestrukturen. Eine für solche Simulationsaufgabenwichtige Voraussetzung ist das Vorhandensein von Komponen-tenmodellen für Stoßdämpfer, Luftfedern, Elastomer- und Hydrolager,die in der Lage sein müssen, die innerhalb des relevantenFrequenzbereiches auftretende Dynamik der entsprechenden Bauteileabzubilden. Weitere wichtige Elemente sind Reifenmodelle, die zurFahrzeugsimulation auf unebenen Teststrecken eingesetzt werdenkönnen. In diesem Umfeld wurden in den vergangenen Jahren zahl-reiche Ansätze entwickelt und in Mehrkörpersimulationsprogrammeimplementiert (z.B. Eichler et al. 2003, Lion und Loose 2002, Böhm etal. 1988, Eichler 1996, Eichler 1997, etc.)

Eine verbreitete Möglichkeit, das Betriebsfestigkeits- sowie dasNVH Verhalten von Gesamtfahrzeugen zu simulieren, besteht inder Anwendung von Mehrkörpersimulationstechniken mitStarrkörpersystemen und seit einigen Jahren auch mit hybridenModellen (z.B. Hirschberg 1998, Lang und Riepl 2000, Eichler undLion 2000, Kaps et al. 2002, Lion 2005). Da es bei vielen Anwen-dungen aufgrund von Überlappungen der Anregungs- und Eigen-frequenzspektren unzutreffend ist, die Karosserien als starreKörper abzubilden, muss ihre Flexibilität berücksichtigt werden. InLion (2005) wurde eine Methode dargestellt, die es ermöglicht,mit komplexen Gesamtfahrzeugmodellen digitalisierte Test-strecken abzufahren. Ein Straßenabschnitt eines digitalisiertenSchlechtwegkurses ist in Bild 2 dargestellt.

Die beiden in Bild 1 dargestellten spektralen Leistungdichten vonRadkräften wurden durch eine Gesamtfahrzeugsimulation aufdem digitalen Prüfkurs ermittelt. Im Frequenzbereich zwischen10Hz und ca. 50Hz liegen ungefähr 70 Eigenmoden der Karosserie

Flexible Mehrkörpersysteme in der Fahrzeugsimulation

Bild1: Beispiel von überlappenden Anregungs- und Eigenfrequenzspektren

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(rechte Abbildung). Die linke Abbildung zeigt, dass die Intensitätder Radkräfte in diesem Frequenzbereich relativ hoch ist. Es mussalso damit gerechnet werden, dass Teile der Karosserie zu lokalenSchwingungen angeregt werden, womit die Starrkörperannahmenicht mehr zutreffend wäre.

Abbildung linear elastischer Strukturen in derMehrkörperdynamikBei der Formulierung der Bewegungsgleichungen von Starrkör-persystemen wird davon Gebrauch gemacht, dass ein Starrkörperin Abhängigkeit von seinen Lagerungen maximal sechs Freiheits-grade besitzt. Ein deformierbarer Körper ist dagegen einKontinuum, das unendlich viele Freiheitsgrade besitzt. Von daherist es schwer möglich, Kontinua in die Starrkörpermechanik einzu-binden. Um dies näherungsweise realisieren zu können, werdendie orts- und zeitabhängigen Deformationen des betreffendenKontinuums relativ zu einem mitbewegten gedachten Starr-körper durch einen globalen Ritz-Ansatz abgebildet. Dabei wirddie Annahme getroffen, dass der deformierbare Körper linear elastisch ist und die sich einstellenden Verschiebungen und Ver-zerrungen hinreichend klein sind, so dass relativ zur bewegtenReferenzkonfiguration eine lineare Kontinuumstheorie angewendetwerden darf. Die Diskussion der Details und die Formulierung derSystemgleichungen würden den Rahmen dieses Artikels deutlichübersteigen (siehe hierzu z.B. Maißer (1996), Shabana (1994,1998) oder Lion (2006)).

Bestimmung der Formfunktionen des Ritz-Ansatzes nach Craig-BamptonWesentlich für die Methode, elastische Strukturen in Mehrkörper-systeme zu integrieren, ist der globale Ritz-Ansatz zur Darstellungdes elastischen Verschiebungsfelds. In Folgendem geht es darum,einen Ritz-Ansatz bzw. Satz von Formfunktionen zu ermitteln, so dassbeliebige an der betrachteten Struktur vorliegende geometrischeRandbedingungen erfüllt werden können. Eine einleuchtendeMöglichkeit besteht darin, die Eigenformen der freien Struktur zuverwenden. Diese Methode hat aber den Nachteil, dass zur exak-ten Erfüllung der geometrischen Randbedingungen meist sehrviele Moden benötigt werden. Um mit deutlich weniger Ansatz-funktionen auszukommen, muss die Modalbasis durch geeigneteFunktionen erweitert werden. Es hat sich durchgesetzt, hierzu dieCraig-Bampton Methode zu verwenden. Eine elastische FiniteElemente Struktur unterliegt im Allgemeinen geometrischen unddynamischen Randbedingen und besitzt sowohl innere Knoten alsauch Randknoten. Sämtliche Verschiebungsvektoren der innerenKnoten

werden zu einem Spaltenvektor zusammengefasst und diealler Randknoten zu einem Spaltenvektor . Zwischen den, anallen inneren Knoten und Randknoten, angreifenden Kräften undVerschiebungen vermittelt die Steifigkeitsmatrix der Gesamtstruktur:

Da an den inneren Knoten keine externen Kräfte angreifen, d.h.,gibt mangibt man sich nun gedanklich die Randverschiebungenvor (auch an den Stellen, an denen dynamische Kraftrandbedin-gungen vorliegen) und berechnet für sie die inneren Knotenverschiebungen.

Die in der Matrix zusammengefassten Anteile werden als sta-tische Moden bezeichnet. Gibt man sich in mehreren FiniteElemente Analysen der Reihe nach immer eine skalare Randver-schiebung vor, d.h. eine Komponente des Vektors , und lässtalle anderen bei Null, so kann man anhand der sich ergebendeninneren Verschiebungen alle Elemente der Matrix ermitteln.Einen zweiten Satz von Formfunktionen welcher die struktur-


Bild 2:Fahrzeugmodell

auf virtuellemSchlechtwegkurs

Bild 3: Prinzipskizze einer allgemeinenelastodynamischen Struktur

Gl. 1

Gl. 2



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dynamischen Eigenschaften beinhaltet, erhält man, indem mandie Struktur an allen externen Knoten geometrisch fest ein-spannt, d.h. , und das dynamische Eigenwertproblem für die inneren Knoten löst:

Dabei ist die Anordnung aller Eigenvek-toren zu einer Matrix.

Nun werden die Formfunktionen aus beiden Verfahren linear zueinem allgemeinen Ritz-Ansatz kombiniert: Die inneren Verschie-bungen werden als Linearkombination der statischen und derdynamischen Moden unter festen Einspannrandbedingungen dar-gestellt und die beiden Spaltenvektoren und werden alsmodale Koordinaten aufgefasst.

Eine Eigenschaft dieses Ansatzes ist, dass die Formfunktionen bzw.die Spalten der Matrix nicht orthogonal zueinander sind. Um eineOrthogonalisierung durchzuführen, wird die Systemgleichung derfreien Struktur formuliert und deren Eigenvektoren gesucht:

Dies führt für f = 0, d.h. ohne externe angreifende Kräfte, auf diefolgende Schwingungsgleichung:

Mit dem komplexen Exponentialansatz erhält man dieEigenfrequenzen der freien Struktur sowie die dazuge-hörigen Eigenvektoren, die zu einer Matrix angeordnet werden:

Damit gilt insgesamt die Beziehung

die den Zusammenhang zwischen den modalen Koordinaten undden Verschiebungen der Knotenpunkte der elastodynamischenStruktur darstellt. Zu diesem Verfahren ist anzumerken, dass der

durch die Eigenformen der an den externen Knoten fest einge-spannten Struktur aufgespannte Modalraum durch die statischenModen angereichert wurde. Dadurch sind mit einer vergleichs-weise geringen Anzahl von Formfunktionen allgemeine geome-trische Randbedingungen erfüllbar. Durch die Orthogonalisierunggeht keinerlei Information verloren, sie wird nur anders auf dieFormfunktionen verteilt.

Modellierung einer Verbundlenkerachse als flexible StrukturUm das Verfahren zur Berücksichtigung elastischer Strukturen inMehrkörpersystemen zu veranschaulichen, wird ein Beispiel ausder Fahrzeugtechnik behandelt. In vielen Fahrzeugen werden Ver-bundlenkerhinterachsen eingesetzt. Sie bestehen aus zwei steifenRadträgern, die durch ein torsionsweiches Profil mit V-förmigemQuerschnitt verbunden sind (siehe Bild 4). Zur Modellierung solcherAchsen wird der Achskörper als elastisches Bauteil modelliert. Dasorts- und zeitabhängige Verschiebungsfeld wird durch Super-position von Ritz-Ansätzen im Sinne des Craig-Bampton Ver-fahrens dargestellt. Diese werden vor der Mehrkörpersimulationmit einem Finiten Elemente Programm ermittelt.

Bild 5 zeigt links die Antwort der Verbundlenkerachse auf einesinusförmige verschiebungsgesteuerte Anregung in Vertikalrich-tung am rechten Hinterrad. Die Belastungsamplitude war konstantund die Frequenz wurde hinreichend langsam und linear mit derZeit von 1Hz auf 100Hz hochgefahren. In der Abbildung ist dievertikale Verschiebung der Mitte des V-Profils für verschiedeneAnzahlen von Moden über der Zeit aufgetragen. Dabei bedeutetdie Bezeichnung „Modes 7-60“, dass Moden mit den Nummernvon 7 bis 60 in die Berechnung einbezogen wurden, es wurdenalso 54 Modes berücksichtigt.

In Tabelle 1 sind die mittels Mehrkörpersimulation berechneten Fre-quenzlagen der Amplitudenmaxima über der Anzahl der Moden

infoplaner 1/200848

Gl. 3

Gl.6

Gl.7

Gl.8

Gl. 4

Gl. 5

bzw.

Anzahl der Moden Eigenfrequenz (Hz)4 669 66

14 11219 10939 9744 9054 8864 8874 88

Tabelle 1: Eigenfrequenz der Achse als Funktion derAnzahl der Modes, die berücksichtigt wird

Bild 4: Hybrides Mehrkörpermodelleiner Verbundlenkerhinterachse

Bild 5: Simlic

=



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[1] Böhm, F., Eichler, M., Kmoch, K.: Grundlagen der

Rolldynamik von Luftreifen, Fortschritte der Fahrzeugtechnik

1, W. Stühler (Hrsg.): Fahrzeugdynamik, Vieweg Verlag, 1988.

[2] Eichler, M., Lion, A., Schuller, R., Sonnak, U.: Dynamik von

Luftfedersystemen mit Zusatzvolumen. VDI Tagung Reifen-

Fahrwerk-Fahrbahn, 29. und 30. Oktober 2003.

[3] Eichler, M., Lion, A.: Gesamtfahrzeugsimulationen auf

Prüfstrecken zur Bestimmung von Lastkollektiven, VDI Bericht

1559, Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau, 369-398,

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[4] Eichler, M.: A ride comfort tyre model for vibration analysis

in full vehicle simulations, Tyre Models for Vehicle Dynamic

Analysis, Berlin, ISSN 0042-3114, 1997.

[5] Eichler, M.: Ride comfort calculations with adaptive tyre

models, AVEC, International Symposium on Advanced Vehicle

Control, Aachen, 1996.

[6] Hirschberg, W.: Modellbildung und Simulation von

Schlechtwegen: Entwicklungsmethoden und Simulation,

Steyr-Daimler-Puch Fahrzeugtechnik AG, 1998.

[7] Kaps, L., Lion, A. Stolze, F., Zhang, G.: Ganzheitliche

Analyse von Fahrzeugprototypen mit Hilfe von virtuellen

Fahrzeugmodellen und virtuellen Prüfstrecken, VDI Bericht

1701, Berechnung und Simulation im Fahrzeugbau, 2002,

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[8] Lang, M., Riepl, A.: Einsatz der FEM-MKS Kopplung im

Betriebsfestigkeitsentwicklungsablauf, Steyr-Daimler-Puch

Fahr-zeugtechnik AG, 2000.

[9] Lion, A.: Einsatz flexibler Körper in der numerischen

Lebensdauersimulation von Kraftfahrzeugen: Methoden,

Beispiele und offene Fragen, NAFEMS Magazin, 2005, 21-31.

[10] Lion, A., Loose, S.: A thermomechanically-coupled model

for automotive shock absorbers: theory, experiments and

vehicle simulations on test tracks, Vehicle Syst. Dynamics,

37, 2002, 241-261.

[11] Lion, A.: Flexible Mehrkörpersysteme in der Auto-

mobilindustrie: Erfahrungen und Anwendungen,

24th CADFEM Users’ Meeting 2006, International Congress

on FEM Technology, October 25-27, Schwabenlandhalle

Stuttgart/ Fellbach, Germany.

[12] Maißer, P.: Dynamik hybrider Mehrkörpersysteme aus

kontinuumsmechanischer Sicht, Zeitschrift für angewandte

Mathematik und Mechanik, 76, 1996, 15-33.

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nenten in MKS-Tools am Beispiel von alaska, NAFEMS

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[14] Shabana, A.: Computational Dynamics,

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[15] Shabana, A.: Dynamics of Multibody Systems, Cambridge

University Press, 1998.

Universität der Bundeswehr München,

Institut für Mechanik LRT 4

Autor

References

dargestellt, mit denen der Verbundlenker abgebildet wurde. Man erkennt,dass bei den Berechnungen mit nur 4 oder nur 9 Moden das Maximumbei gut 65Hz liegt. Erhöht man die Anzahl der Moden (Freiheitsgrade desAchskörpers), so verschiebt sich das Maximum zu höheren Frequenzen,bis es sich bei knapp 90Hz einpendelt. Man kann diesen Simulationen alsoentnehmen, das man etwa 50 Moden der Achse berücksichtigen muss,bis das Verhalten konvergiert. Das Hinzufügen weiterer Moden bringt indiesem Beispiel keine Verbesserung der Ergebnisse. Außerdem erkenntman, dass das dynamische Verhalten der Achse im Frequenzbereich weitunterhalb der ersten Resonanzfrequenz nur sehr wenig von der Anzahl derModen abhängt. In einer weiteren Studie wurden die Dämpfungen derVerbundlenkerachse variiert, die den Moden in der Mehrkörpersimulationzugeordnet werden können. Um die Untersuchung zu vereinfachen,wurde eine Verteilung zugrunde gelegt, bei der die modalen Dämpfungenlinear von den Eigenfrequenzen der ungedämpften Moden abhängen(höherfrequente Moden werden höher bedämpft).

SchlussbemerkungenDieses Anwendungsbeispiel aus der Fahrzeugdynamik hat gezeigt, dassdie Verwendung hinreichend vieler Formfunktionen zur Darstellung desdynamischen Verhaltens elastischer Strukturen in hybriden Mehrkörper-systemen notwendig ist. Um einen sinnvollen Wert für die notwendigeAnzahl von Modes zu gewinnen, wurde das Konvergenzverhalten derEigendynamik einer Hinterachse als Funktion der Anzahl der zugrundegelegten Moden untersucht. Bezüglich der Zahlenwerte für die modalenDämpfungen wurde eine Parameterstudie durchgeführt. Wenn die elas-tische Struktur in der Nähe von Resonanzen angeregt wird, hängt dieAntwort stark von den Dämpfungen ab. Bei Anregungen weit unterhalbvon Resonanzen sind die Antworten für nicht zu große Dämpfungenunabhängig von den Dämpfungen. Um verlässliche Werte für dieDämpfungen zu gewinnen und um sicherzustellen, dass die modalenDämpfungen mit dem Strukturmodell konsistent sind, sollten sie anhandeiner komplexen Eigenwertanalyse des Finiten Elemente Strukturmodellsberechnet werden. In diesem Modell müssen die lokalen Dämpfungs-mechanismen abgebildet sein. In Lion (2005) wurde eine entsprechendeMethode angewendet, mit der die modalen Dämpfungen einer ausge-statteten Fahrzeugkarrosserie berechnet wurden, um das Lebensdauer-verhalten zu simulieren. Für zukünftige Entwicklungsprojekte in derAutomobilindustrie wäre es sehr interessant, deformierbare Strukturenmit allgemeineren Materialeigenschaften, auch bei finiten Deforma-tionen, in Mehrkörpersysteme einbinden zu können. Eine wichtige Anwendung wäre beispielsweise die Simulation der Betriebsfestigkeits-eigenschaften von statisch und dynamisch hoch beanspruchtenElastomerlagern in Fahrwerken oder im Bereich der Aggregate.


5: Simulationen mit unterschied-lichen Anzahlen von Moden


Prof. Dr.-Ing. Alexander Lion

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CADFEM hat sich nicht nur als starker Partner für Softwarelösungen mit ANSYS, LS-DYNA und FTI etabliert sondernsich auch als kompetentes Schulungsunternehmen für die Themen CAE und Simulation einen guten Ruf erarbeitet.

Weiterbildung

Seminarreihe: „Experten für Experten”

infoplaner 1/200850

Mit über 50 aktuellen Kursen und knapp6000 Seminarteilnehmertagen in 2007alleine bei der GmbH in Deutschland istder Bereich Schulung eine wichtige Kom-petenz für CADFEM als „Full-Service“-Dienstleister rund um die rechnerischeSimulation.

„Wir wollen das Wissen und die Erfahrun-gen, die wir durch die intensive Anwen-dung gesammelt haben, systematisch andie Teilnehmer weiter geben, so dass dieEffizienz der Simulationen bei den täglichenAnwendungen deutlich steigen wird“, soErke Wang, Leiter Service, CADFEM GmbH.

Neben den typischen Einstiegsseminaren,die beim Kauf einer umfangreichen Soft-warelizenz notwendig werden und dendarauf aufbauenden Vertiefungssemi-naren zu den speziellen Anforderungen,bietet CADFEM eine Reihe von „fortge-schrittenen Seminaren“, die jetzt in derSeminarreihe „Experten für Experten“zusammengefasst wurden.

Von Experten für ExpertenDer täglich enge Kontakt zu den An-wendern von ANSYS geben CADFEMeinen guten Überblick, über Themen, dievon besonderem Interesse sind oder Frage-stellungen, die immer wieder im Supportauftreten. Genau diese Themen werdenin der Seminarreihe aufgegriffen um sogerade auch den ANSYS erfahrenenAnwendern die Möglichkeit einer sehrgezielten Weiterzubildung zu bieten.

Dazu gehören Themen, die sich mit aus-gewählten Materialien und Maschinenbau-teilen befassen. Die Simulation maschinen-bautypischer Bauteile und die richtigenumerische Abbildung erfordern ein fun-diertes Detailwissen. Dieses können unsereReferenten, qualifizierte Ingenieure ver-schiedener Disziplinen mit Erfahrung ausIndustrie, jahrelangem Support, Bench-mark- und Projektarbeit vermitteln. FolgendeVeranstaltungen werden 2008 in der Seminar-reihe Experten für Experten abgedeckt:

• Modellierung und Berechnung dünnwandiger Bauteile und Schweißsimulation mit ANSYS

• Simulation ausgewählter Maschinen-bauteile (Dichtung/Schrauben, Welle-Nabe Verbindungen)

• Simulation ausgewählter Materialien(Gummi+Schaumstoff, Kunststoffe, Klebver-bindungen und Materialmodelle)

• Analyse von Faserverbundwerkstoffen

Die zahlreichen Anmeldungen und dieResonanz zu diesen Expertenseminarenbestätigen, dass damit ein Bedarf gedecktwurde. Teilnehmer aus bereits stattgefun-denen Seminaren „Experten für Experten“bewerten die Seminarreihe als äußerst positiv.

„Das Seminar ‘Modellierung und Berech-nung dünnwandiger Bauteile’ bietet zumeinen wertvolle Informationen und Hilfenzur praktischen Handhabung der Struktur-berechnung mit Schalenelementen inWorkbench und ANSYS Classic. Zum ande-ren wird der theoretische Background indem Umfang mitgeliefert, wie er für eineerfolgreiche Schalenanwendung z.B. imBereich der Stabilitätsuntersuchung oderBerechnung von Schweißkonstruktionenunabdingbar ist.” so Prof. Dr. ThomasSandner.

Durch praktische Beispielsrechnungen,fachliche Diskussionen mit den Referentenund durch den regen Erfahrungsaustauschmit anderen ANSYS-Anwendern werdendie Teilnehmer auf hohem Niveau weiter-gebildet.

Im Internet unter www.cadfem.de/seminarefinden Sie weitere Informationen zu dieserExpertenreihe. Auch im zweiten Halbjahrwerden wir diese Seminare wieder anbieten.

Deutschland

Marc Vidal

Tel. +49 (0)8092-7005-18


Schweiz

Markus Dutly

Tel. +41 (0)52-36801-02


Österreich

Marc Brandenberger

Tel. +43 (0)1-5877073-10


Schulungsberatung


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Dr.-Ing. Ansgar Polley gibt im Folgenden einen kleinen Auszug ausseinem Expertenseminar: Modellierung und Berechnung von Klebe-verbindungen, das am 5.6.2008 in Hannover und am 24.11.2008in Grafing statt findet.

Motivation für das Seminar ist, dass nahezu alle industriellenErzeugnisse aus Einzelbauteilen bestehen, welche zusammenge-fügt werden und Kleben als Verbindungstechnik hier immermehr an Bedeutung gewinnt. Die Vorteile des Klebens gegenüberherkömmlichen Fügeverfahren sind vor allem:

• Gewichtseinsparung verbunden mit Steifigkeitserhöhung• Verbindungsmöglichkeit für unterschiedliche

Materialkombinationen• Verbindungsmöglichkeit für sehr dünne Fügeteile• Im Gegensatz zum Schweißen deutlich geringere

Temperaturbelastung der Fügepartner• Hohe dynamische Festigkeit; hohe Schwingungsdämpfung

Vor allem die zunehmende Verwendung des Klebens im Auto-mobilbereich hat der Forderung, solche Verbindungen berechnenund auslegen zu können, Nachdruck verliehen. Das Seminar„Modellierung und Berechnung von Klebeverbindungen“ willzur Umsetzung in Konstruktion und Simulation beitragen undBerechnungszugänge eröffnen. Folgende Themen werden hierbeibehandelt:

• Einführung in die Klebtechnik• Gestaltungsregeln, Vor- und Nachteile von

Klebeverbindungen• Beanspruchungen in der einschnittigen

Überlappungverbindung• Analytische Berechnungsmethoden• Prüfmethoden für Klebeverbindungen• Viskoelastisches Materialverhalten und

Kriechen von Klebverbindungen• Berücksichtigung der Aushärtung• Ermittlung von Eigenspannungen und Verzug

in Klebeverbindungen• Umsetzung neuer Forschungsergebnisse in

Simulation von Klebungen• Ansätze zur Modellierung von Klebstoffversagen

Klebeverbindungen können Zug-, Druck-, Scher- oder Schälbean-spruchungen ausgesetzt sein. In vielen Fällen tritt eine Kombinationder Belastungen auf. Im Seminar wird eingehend die am häufigstenvorkommende einschnittige Überlappverbindung besprochen.Neben Modellierungstechniken wird hier der Beanspruchungs-zustand in der Klebschicht genauer untersucht. Typisch sind hierdie Spannungsüberhöhungen an den Überlappungsenden derKlebschicht (vgl. Bild 1).

Viele Klebeprozesse erfordern nach dem Fügen die Aushärtungdes Klebstoffes in einem Ofen. Der hierbei zunächst noch leichtverformbare und fluidähnliche Klebstoff härtet bei definiertenTemperaturen aus und „friert“ dann die durch die Temperatur-erhöhung entstandenen Wärmedehnungen der Fügeteile ein.Beim Abkühlen entstehen so Eigenspannungen in der Klebever-bindung und es kommt zu einem Verzug der Fügepartner. ImUmfeld der Elektronik, z.B. beim Aufkleben von Elektrobauteilenauf Leiterplatten, kann es hierbei sogar zu einer Zerstörung derBauteile kommen. Ebenfalls von Bedeutung ist dieser Gesichts-punkt in der Automobilindustrie, wo es beim Fügen von Blechendurch die Eigenspannungen zu Texturen kommen kann, die sichnach der Lackierung später unerwünscht auf der Oberflächeabzeichnen.

Dieser interessante Aspekt wird im Seminar aufgegriffen undmögliche Berechnungsmethodiken werden diskutiert. Am Beispieleiner verklebten Motorhaubenverstärkung ist dieser Effekt aufdem Bild 2 und Bild 3 dargestellt

3

1

Seminar: „Modellierung und Berechnung von Klebeverbindungen”

Bild 1 Einschnittig überlappende Scherzugprobe,

Verformungsfigur undSpannungsverteilung in der

Klebeschicht

Bild 2 Verklebung einerMotorhaubenverstärkung

Bild 3Eigenspannungen in einer

Motorhaube nach demFügeprozess

2


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Wer die Herausforderung eines berufsbegleitenden Master-studiengangs annimmt, ist sich bewusst, dass ein hoher Arbeits-aufwand auf ihn zukommt. So ist das auch beim esocaet-Studiengang „Master of Engineering in Applied ComputationalMechanics“ keine Überraschung.

Mathematische und technische Vorkenntnisse und auf jeden FallBegeisterungsfähigkeit für das Thema „numerische Simulation“sind Voraussetzungen für die Teilnehmer. Ohne die fachlichen

Grundlagen, ohne das Interesse am und die Identifikation mitdem Thema CAE und ohne die Bereitschaft, sehr viel (Frei-) Zeit zuinvestieren, ist er kaum zu bewältigen. Das Studium erstreckt sichzum einen über ein sehr breites Spektrum an CAE-Disziplinen,andererseits lässt es aber auch nicht den notwendigen Tiefgangin spezielle Details vermissen. Im Gegensatz zu klassischen CAE-Seminaren liegt der Schwerpunkt nicht vorrangig auf der Frageder Softwarebedienung in den verschiedenen Anwendungs-gebieten, sondern vielmehr steht die Vermittlung der theoreti-

schen Hintergründe sowohl in Physik als auch Numerik imVordergrund. Die Studierenden erhalten damit einen sehr detail-lierten Einblick, um sich mit verschiedensten Spezialisten „aufAugenhöhe“ unterhalten zu können, was ihnen eine profundenund differenzierten Gesamtüberblick über die Möglichkeiten, dieOrganisation und die Prozesse des CAE in der industriellen Praxis gibt.

Die Studierenden erarbeiten sich ein breites Wissen zum ThemaCAE, das sich aus Inhalten nahezu aller Bereiche der numerischen

Simulation zusammensetzt. Dennoch werden bei esocaet keineWissenschaftler, sondern – schließlich führt der Studiengang denBegriff „Applied“ im Namen – Praktiker ausgebildet. So orientierensich die theoretischen Kursinhalte nicht nur am Stand der Forschungund Wissenschaft, sondern vor allem auch am Stand der Technik,so dass der tägliche Anwendungsbezug nie verloren geht. SeineDynamik gewinnt der Studiengang durch die Beteiligten: Zumeinen sind dies die Teilnehmer selbst, die per se eine hohe Eigen-motivation mitbringen – schließlich ist die Teilnahme am Master-

Weiterbildung

infoplaner 1/200852

CADFEM-Mitarbeiter Thomas Iberer gehört zu den „esocaet-Pionieren”, die den ersten Kurs des Masterstudien-ganges “Applied Computational Mechanics” im Herbst 2005 aufgenommen und nun mit der Masterarbeiterfolgreich abgeschlossen haben: Ein Erfahrungsbericht aus der Perspektive der Studierenden.

Master of Engineering in Applied ComputationalMechanics: Erfahrungen der Absolventen


creo

Weiterbildung


studiengang freiwillig. Die enge Zusammenarbeit mit gleichgesinntenKommilitonen aus unterschiedlichen Branchen und verschiedenenKontinenten kann ein zusätzlicher Motivationsschub sein. Gesteigert wirddieser innere Antrieb der Studierenden auch dadurch, dass dieArbeitgeber mit der finanziellen und zeitlichen Unterstützung desStudiums ihr Vertrauen in sie zeigen. Zum anderen finden dieStudierenden hochmotivierte Dozenten aus der Hochschullehre und ausder Industrie vor. Für diese Spezialisten ist esocaet eine Plattform, um daseigene Fachwissen in einer Tiefe weiterzugeben, die im Hochschulalltagund auch in der industriellen Praxis nicht auf der Tagesordnung steht.Für die künftigen Master, von denen in sehr unterschiedlichen DisziplinenKenntnisse jenseits des „Mainstream“ erwartet werden, sind genau dieseInformationen wichtige Bausteine ihres fundierten Gesamtüberblicks. Esentsteht eine Gruppendynamik, von der alle Seiten profitieren.

Natürlich gibt es auch eine Kehrseite, d.h. kritische Anmerkungen zumMasterstudiengang. Der immense zeitliche Aufwand, den die Studieren-den leisten müssen, lässt sich jedoch kaum verringern. Es gibt durchausTeilnehmer, die dies anfangs etwas unterschätzt haben. Ein obligatori-sches Eignungsfeststellungsverfahren im Rahmen der Zulassung soll hierden zukünftigen Studenten eine Hilfestellung bieten. Kritik richtete sichauch an die zeitliche Platzierung einiger wenigen Unterrichtsblöcke undKlausurtermine. Diese Hinweise werden aufgenommen und im Rahmender Möglichkeiten – hier wirken viele Faktoren – verbessert.

Aber man sollte auch nicht verschweigen, dass neben der täglichen Wissens-vermittlung während der Präsenzphasen auch eine gewisse Rückkehr indas typische Studentenleben mit den üblichen „Begleiterscheinungen“verbunden ist. Die Städte Ingolstadt und Landshut im Herzen Bayernsbieten hierfür ausreichend Gelegenheit. Rückblickend wird man sichsicherlich auch noch in einigen Jahren gerne an die eine oder andere auf-munternde gemeinsame Begebenheit zurück erinnern.

Fazit: Was hat der Masterstudiengang dem Einzelnen gebracht? DieseFrage beantworten die Absolventen mit einem enormen Zugewinn anCAE-Fachwissen und Know-how, wie Aufgaben und Prozesse effizientergestaltet werden können. Diese signifikante Kompetenzsteigerung ist einehervorragende Basis, um auf verschiedenen Ebenen fundierte Entschei-dungen auf dem Gebiet der numerischen Simulation in der Produktentwick-lung treffen zu können. Für Unternehmen ist genau dieses Mitarbeiterprofilnotwendig, um CAE effektiv auf- und ausbauen zu können.

Master of Engineering in Applied Computational Mechanics

Der berufsbegleitende Studiengang zum Masterof Engineering in Applied Computational Mechanicswird seit 2005 in Kooperation von der CADFEMGmbH, der Hochschule Ingolstadt und der Hoch-schule Landshut angeboten.

Entwickelt wurde das Programm im Rahmen desvon der EU geförderten Projektes EuropeanSchool of Computer Aided Engineering Technology(esocaet). Kooperationspartner von esocaet sindneben CADFEM und den Hochschulen die Unter-nehmen EnginSoft, Consorcio TCN (beide Italien),FIGES (Türkei), MESco (Polen) und SVSFEM(Tschechische Republik).

Das zweijährige Studium, das parallel zur Berufs-tätigkeit absolviert wird, bietet Unternehmen einefundierte Weiterbildung für Mitarbeiter imBereich des Computer Aided Engineering (CAE),also der computergestützten Simulationstechno-logien in der Produktentwicklung, deren Bedeutungin den kommenden Jahren weiterhin stark zuneh-men wird. Mit dem Masterprogramm AppliedComputational Mechanics werden Mitarbeiter zuCAE-Spezialisten und Führungskräften weiterge-bildet, die die Bandbreite des CAE in Theorie undPraxis verstehen und effizient anwenden undkoordinieren können.

Im Herbst 2007 haben die 14 Studierenden desinzwischen dritten Kurses ihr Studium aufgenom-men. Die Anmeldung für den vierten Kurs (Start:September 2008) hat bereits begonnen und istnoch bis zum 15. Juni 2008 möglich.

Anja Vogel

Tel. +49 (0)8092-7005-52


www.esocaet.com

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16. – 17. April.2008 in Aschaffenburg

www.safetyweek.de

Wir freuen uns auf Ihren Besuch an Stand 24

21. – 25. April 2008 in Hannover

www.hannovermesse.de

Wir freuen uns auf Ihren Besuch in Halle 17, Stand F50

21. – 23. April 2008 in Freiburg i. Br.

www.eurosime.org

Wir freuen uns auf Ihren Besuch des CADFEM Standes in der Fachausstellung

30. – 31. Mai 2008 in Wien

www.materialise.com/MIC


05. – 06. Juni 2008 in Darmstadt

www.sosdid.de


05. – 06. Juni 2008 in Aachen

www.awk-aachen.de


10. – 11. Juni 2008 in Fellbach bei Stuttgart

www.hanser.de/simulation


06. – 07. Juli 2008 in Luzern (CH)

www.ESB2008.org


09. – 10. Juli 2008 in Nürnberg

www.medtech-pharma.de


09. – 13. September 2008 in Stuttgart

www.messe-stuttgart.de/amb

Wir freuen uns auf Ihren Besuch in Halle 4, Stand C34

AMB - Internat. Ausstellung für Metallbearbeitung

Bayern Innovativ / Medizin Innovativ 2008

16th Congress European Society of Biomechanics

kunststoffe + SIMULATION

AWK Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium

SosDID – Symposium on Structural Durability

Medical Innovations Conference Vienna 2008

EuroSime 2008

Hannover Messe – Digital Factory

SafetyExpo 2008

Veranstaltungen

Veranstaltungen

info_01_54_fin2 31.03.2008 9:00 Uhr Seite 54

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Bericht

Am 1. Mai 2007 stieg ich auf mein Fahrrad. Das Ziel war, diegrößte zusammenhängende Landstrecke der Erde mit demFahrrad zu bewältigen. Damals erschien mir die Welt noch einganzes Stück größer und ungreifbarer, als beim Rückblick auffünfeinhalb Monate abenteuerlicher Reise und mehr als 12.500zurückgelegte Kilometer.

Ständige Begleiter waren unbarmherziger Gegenwind und gna-denlose Hitze, die mich oft an den Rand des Verzweifelns brach-ten. Zum Beispiel in der chinesischen Provinz Gansu, demKorridor zwischen dem tibetischen Hochplateau und der WüsteGobi, in dem die permanenten Stürme mit viel Sand undunmenschlicher Stärke wüten. Die Temperaturen von 49 °C imSchatten waren besonders in den unendlichen Steppen undWüsten Kasachstans kaum auszuhalten. Nur mit enormerDisziplin und Planung gelang es, auch in menschenleerenGebieten an den täglichen Wasserbedarf von 15 Litern zu kom-men. Manche Bekanntschaft war freilich auch in besiedeltenRegionen eher unangenehm – die wichtigsten Erfahrungenwaren aber die positiven, die meinen Durchhaltewillen immerwieder stärkten.

Die Gastfreundschaft in den Ländern der ehemaligen Sowjet-union hat es mir besonders angetan. Ob in der Ukraine, am

unteren Wolgalauf in Russland oder in den Bergen Kirgisiens, dieWarmherzigkeit der Menschen war fast überall zu spüren. In derUkraine wurde ich von einer Familie zum Abendessen ins Hausgebeten, obwohl ich mich nur durch Handzeichen verständlichmachen konnte. Die Kaffee- und Übernachtungsangebotewaren manchmal so zahlreich, dass es mir zuviel wurde und ichendlich wieder Zeit für mich haben wollte. Die kleinen Ereignissewaren aber immer eine tolle Aufmunterung: Wenn ich nach demWeg fragte und die Menschen mir (teils aus Begeisterung, teilsaus Mitleid mit dem „Spinner“) eine Flasche Wasser zusteckten,mir ihr Telefon hinhielten, dass ich einem Englisch sprechendenFreund erkläre, was ich mache, oder einfach mal schnell meinengebrochenen Gepäckträger zu einem Freund brachten, der ihnschweißen konnte.

Oft wurde ich auch für mehrere Tage eingeladen wie inVolgograd beim Präsidenten eines örtlichen Fahrradclubs, oder inden entlegenen Bergregionen Kirgisiens, wo mich eine Familiebei strömendem Regen von der Straße holte, mir ihren mitHolzofen betriebenen Saunawaschraum anheizten und daraufbestanden, mich zu versorgen, bis der Regen aufhörte. Auch inChina gab es immer jemanden, der mir auf Englisch half, wennich mit meinem Chinesisch und meinen Nerven am Ende war. Diesevielfältigen Erlebnisse und das Wissen, jeden Höhenmeter undStreckenkilometer als erster Zwanzigjähriger alleine, ohne Hilfezurückgelegt zu haben, gaben mir, als ich am 4. Oktober 2007die letzten Kilometer nach Peking rollte, ein bisher fremdesGefühl: Das sollte jetzt alles vorbei sein? Doch ich freute michauch schon wieder auf die Rückkehr, denn, egal wie lange ichunterwegs war, wie viele beeindruckende Landschaften ichdurchquerte und welch unvergesslichen Erfahrungen ich machte– nach Hause zu kommen ist immer wieder schön.www.pekingradler.de


Mit dem Fahrrad von Grafing nach PekingAuch das ist Globalisierung: Michael Grünebach aus dem bayrischen Pienzenau (bei Grafing) fuhr mit dem Fahrrad von seinem Heimatort nach Peking. Ein Reisebericht.


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U3_forum_fin 28.03.2008 16:44 Uhr Seite 1

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CADFEM Deutschland

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Auszug der Mitglieder

Brazil: ESSS Ltd.www.esss.com.brCzech Republic: SVS FEM s.r.o.www.svsfem.czItaly: EnginSoft s.r.l.www.enginsoft.itPoland: MEScowww.mesco.com.pl

Benelux: Infinite Simulation Systems B.V.www.infinite.nl Ireland: IDAC Ireland Ltd.www.idacireland.com Scandinavia: ANKER-ZEMER Engineering ASwww.anker-zemer.noGreat Britain: IDAC Ltd.www.idac.co.uk

Turkey: FIGES CAD-CAEwww.figes.com.tr Japan: Cybernet Systems Ltd.www.cybernet.co.jpKorea: CIES Ltd. / CAE Divisionwww.cies.co.krUSA: Mindware Engineering Ltd.www.mindwr.com

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