Im modernen Ingenieurwesen erfordert der Wettlauf um Innovationen eine drastische Verkürzung der Entwicklungszyklen. Traditionell erforderte die Validierung eines Entwurfs jedoch die Herstellung zahlreicher physischer Prototypen. Dies war ein kostspieliger, langwieriger und oft mit Verschwendung verbundener Prozess. Aus diesem Grund wird heute, SOLIDWORKS Simulation bietet eine strategische Alternative, indem sie die Finite-Elemente-Methode (FEA) nutzt, um das mechanische Verhalten eines Produkts virtuell vorherzusagen. Darüber hinaus können die Ingenieurteams durch die Integration von Spannungs- und Ermüdungsanalysen bereits in der CAD-Phase ihre Abhängigkeit von zerstörenden Prüfungen verringern. Dadurch können sie ihre Produktionskosten optimieren.
- Die FEA (Finite-Elemente-Analyse) von SOLIDWORKS Simulation sagt das mechanische Verhalten eines Bauteils voraus, noch bevor ein Prototyp hergestellt wird.
- Die statische Analyse überprüft die Tragfähigkeit; der Sicherheitskoeffizient zeigt an, wo die Überdimensionierung reduziert werden kann.
- Die Ermüdungsanalyse (S-N-Kurven) schätzt die Lebensdauer über Tausende von Zyklen.
- Durch die Verknüpfung von CAD und Simulation wird die Konstruktion bei jeder Änderung aktualisiert: So lassen sich schnell Iterationen durchführen und die Anzahl der Prototypen von zehn auf einen reduzieren.
1. Die FEA im SOLIDWORKS-Ökosystem verstehen
Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist eine numerische Methode zur Simulation realer physikalischer Phänomene. Genauer gesagt, in SOLIDWORKS Simulation, wird ein Bauteil oder eine komplexe Baugruppe in ein «Netz» unterteilt, das aus Millionen kleiner geometrischer Elemente (Tetraeder oder Hexaeder) besteht.
Wie übrigens die SOLIDWORKS-Fachexperten, hängt die Genauigkeit einer Simulation untrennbar von der Qualität des Netzes ab. Darüber hinaus bildet die Software durch die Lösung algebraischer Gleichungen für jedes einzelne Element das Gesamtverhalten der Struktur unter mechanischen, thermischen oder Schwingungsbelastungen nach. So ermöglicht dieser Ansatz den Ingenieuren, Bereiche mit hoher Spannungskonzentration zu identifizieren, lange bevor der erste Prototyp gefertigt wird.
2. Die statische Spannungsanalyse: Ihre erste Verteidigungslinie
Die lineare statische Analyse bildet die Grundlage der virtuellen Validierung. Mit anderen Worten: Sie ermöglicht es festzustellen, ob eine Konstruktion den während ihrer Lebensdauer zu erwartenden Belastungen standhält, ohne bleibende Verformungen oder Brüche zu erleiden.
Optimierung des Sicherheitsfaktors (FoS)
Daher ist eine der häufigsten Ineffizienzen im Ingenieurwesen die «Überdimensionierung». Aus Angst vor einem Versagen werden die Entwickler fügen oft überschüssiges Material hinzu. Außerdem erhöht dies das Gewicht und die Herstellungskosten. Mithilfe der Darstellung des Sicherheitskoeffizienten in SOLIDWORKS können Sie jedoch das «Leergewicht» identifizieren. Dabei handelt es sich um Bereiche, in denen das Material nicht ausreichend genutzt wird, und Sie können dieses Material entfernen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.
Validierung komplexer Baugruppen
Im Gegensatz zu manuellen Berechnungen, die auf vereinfachte Geometrien beschränkt sind, berücksichtigt SOLIDWORKS Simulation komplexe Wechselwirkungen wie beispielsweise:
– Kontakte ohne physischen Kontakt zwischen den Bauteilen.
– Presspassungen (Shrink Fits).
– Virtuelle Verbindungselemente (Schrauben, Federn, Schweißnähte).
Um diese fortgeschrittenen Modellierungstechniken zu beherrschen, können Sie außerdem die technischen Anleitungen unter Ohmycad, die spezielle Workflows anbieten, um die Definition Ihrer Kontakte und Konnektoren zu optimieren.
3. Ermüdungsanalyse: Vorhersage der Langzeitbeständigkeit
Zudem kann ein Bauteil einen statischen Belastungstest zwar problemlos bestehen, aber bereits nach 10.000 Einsatzzyklen vorzeitig versagen. Das ist die unsichtbare Gefahr der Materialermüdung.
Die Rolle der Kurven S-N
Tatsächlich nutzt SOLIDWORKS Simulation erweiterte Materialdaten, darunter S-N-Kurven (Spannung vs. Anzahl der Zyklen), um die Restlebensdauer eines Produkts abzuschätzen. Auf der Grundlage der technischen Dokumentation ermöglicht die Integration von Ermüdungstests die Simulation komplexer zyklischer Belastungsumgebungen, die in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung sind.
Reduzierung von Produktrückrufen
Indem Sie also zehn Jahre Nutzung in nur wenigen Stunden Rechenzeit simulieren, vermeiden Sie das Risiko vorzeitiger Ausfälle im Einsatz. Genau hier liegt die Stärke Ihres Konstruktionsprozesses: die Lieferung eines Produkts, das gegen vorhersehbaren Verschleiß abgesichert ist.
4. Warum die Integration von CAD und Simulation einen Wettbewerbsvorteil darstellt
Der größte Vorteil von das SOLIDWORKS-Ökosystem liegt in seiner vollständigen Assoziativität. Wenn Sie eine Wandstärke oder einen Hohlkehrenradius in Ihrem CAD-Modell ändern, wird die Simulationsanalyse automatisch aktualisiert.
– Erstens: eine schnelle Iteration: Testen Sie fünf Designvarianten an einem einzigen Vormittag.– Zweitens: eine Kostensenkung: Der Übergang von zehn physischen Prototypen zu einem einzigen Prototyp für die «endgültige Validierung» kann Zehntausende Euro an Werkzeug- und Materialkosten einsparen.
– Endlich eine Innovation mit Schwung: Die Simulation vermittelt das nötige Vertrauen, um mit innovativen Werkstoffen oder gewagten Geometrien (wie beispielsweise topologischer Optimierung oder Gitterstrukturen) zu experimentieren.
Um diese Kompetenzen zu vertiefen, sehen Sie sich die speziellen Schulungsressourcen zu folgenden Themen an: Ohmycad, Ihre erste Anlaufstelle für CAD-Fachwissen und Softwareoptimierung.
Fazit und bewährte Verfahren
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz numerischer Simulationen für die leistungsstarke Ingenieurbüros. Um den Übergang zu einer «Zero-Prototype»-Strategie erfolgreich zu gestalten, sollten Sie folgende bewährte Vorgehensweisen beachten:
Überprüfen Sie Ihre Randbedingungen: Eine Simulation ist nur dann genau, wenn die Befestigungen und die aufgebrachten Lasten die physikalischen Gegebenheiten widerspiegeln.
Stellen Sie einen Bezug zur Realität her: Nutzen Sie die Daten Ihrer letzten physikalischen Tests, um Ihre virtuellen Modelle für zukünftige Projekte zu kalibrieren.
Optimieren Sie Ihren Arbeitsablauf noch heute
Die Reduzierung von Prototypen ist also eine strategische Entscheidung, die die richtigen Werkzeuge und fundiertes Fachwissen erfordert. Sie wissen nicht, welches Simulationspaket für Ihre spezifischen technischen Herausforderungen geeignet ist? Unsere zertifizierten Experten stehen Ihnen mit einem Audit Ihrer Prozesse oder einer maßgeschneiderten Vorführung zur Seite.
Häufig gestellte Fragen
Was ist FEA in SOLIDWORKS Simulation?
Ein numerisches Verfahren, bei dem ein Bauteil in ein Netz aus Elementen unterteilt und dessen Verhalten unter mechanischen, thermischen oder Schwingungsbelastungen berechnet wird. Die Genauigkeit des Ergebnisses hängt direkt von der Qualität des Netzes ab.
Ersetzt die Simulation physische Prototypen?
Sie reduziert diese erheblich. In der Regel wird statt mehrerer Prototypen nur ein einziger für die abschließende Validierung beibehalten, was Kosten für Werkzeuge und Materialien spart.
Was ist der Unterschied zwischen statischer Analyse und Ermüdungsanalyse?
Die statische Analyse überprüft, ob das Bauteil den vorgesehenen Belastungen standhält, ohne zu brechen oder bleibende Verformungen zu erleiden. Die Ermüdungsanalyse sagt anhand von S-N-Kurven die Lebensdauer des Bauteils bei wiederholten Belastungszyklen voraus.
Wozu dient der Sicherheitskoeffizient?
Er misst die Differenz zwischen der tatsächlichen Beanspruchung und der Materialgrenze. Er deckt das «tote Gewicht» auf, also jene überdimensionierten Bereiche, in denen Material entfernt werden kann, ohne das Bauteil zu schwächen.