Haushaltsgeräte
Struktursimulationen Geschirrspülmaschine

Geschirrspülmaschinen werden bei der Auslieferung mit einem Stapler geklammert. Dies stellt eine hohe mechanische Belastung für das Gerät dar. Es wurden statische Analysen durchgeführt und die plastischen Dehnungen sowie die Beulsicherheit bewertet.

Um Transportschäden zu vermeiden, muss das Gerät eine Fallprüfung aus einer definierten Höhe überstehen. Die Simulation des Falltests erfolgte mit einer dynamischen Analyse.

Anhand der Simulationsergebnisse konnten Optimierungen für das Gerät und das Verpackungsmaterial abgeleitet werden. Das Risiko eines Transportschadens wurde minimiert und dadurch die Sicherheit gesteigert.

Materialeinsparungen führten zu geringeren Fertigungskosten. Die Kostenreduktion spielt bei der Großserienproduktion des Gerätes eine wichtige Rolle.

Haushaltsgeräte
Schwingungsanalyse Waschtrommel

Die Schleuderdrehzahl einer Waschmaschine beträgt bis zu 1600 U / min, dies entspricht 26,7 Hz. Um ein Aufschwingen zu vermeiden, muss die erste Eigenfrequenz der Trommel über dieser Frequenz liegen.

Es wurde eine Modalanalyse durchgeführt. Mit dieser dynamischen Analyse konnten die Eigenfrequenzen und die dazugehörigen Schwingungsformen berechnet werden. Durch eine Sicken-Optimierung entstand eine verbesserte Form der Trommel.

Der Einsatz der Simulation führte zu einer Qualitätssteigerung des Produktes. Zudem konnte durch reduzierte Versuche ein Zeitvorteil bei der Entwicklung erzielt werden.

Luft- und Raumfahrt
Thermische Analysen Elektronik-Steuergerät

Elektronische Steuergeräte für die Luftfahrt müssen besondere Sicherheitsanforderungen erfüllen. Geräte für sicherheitskritische Anwendungen dürfen in einem Brandfall nicht ausfallen.

Für ein elektronisches Steuergerät wurde eine thermische Analyse durchgeführt. Zunächst erfolgte die Simulation des „Normalbetriebes“ und anschließend die Simulation des Brandfalles.

Ergebnis der Analyse ist das zeitlich veränderliche Temperaturfeld im Brandfall. Diese Information ist zur Bewertung der Ausfallsicherheit relevant.

Luft- und Raumfahrt
Simulation Wanderfeldröhre

Wanderfeldröhren werden unter anderem zur Signalverstärkung in Satelliten eingesetzt. Die Röhren sind beim Raketenstart mechanischen Schwingungen ausgesetzt. Zudem liegt im Weltall eine starke Wärmeeinstrahlung durch die Sonne vor. Wärme kann im All nur durch Strahlung abgeführt werden.

Es wurden mehrere dynamische Analysen durchgeführt und mit Hilfe einer Modalanalyse zunächst die Eigenfrequenzen bestimmt. Die beim Raketenstart auftretenden Schwingungen konnten mittels PSD-Analyse berechnet werden. Bei der Simulation des Temperaturfeldes wurden unterschiedliche Stellungen zur Sonne simuliert und Abschattungseffekte durch Strahlungs-Sichtfaktoren berücksichtigt.

Die Ergebnisse aus den verschiedenen Simulationen sind eine wichtige Grundlage zur Optimierung der Konstruktion. Bei der Optimierung wurden verschiedene Konstruktionsvarianten berechnet und vergleichend bewertet.

Durch den Einsatz der Simulation erfolgte eine Optimierung in einem frühen Entwicklungsstadium und kostspielige Tests konnten reduziert werden.

Fahrzeugtechnik
Struktursimulation Scheibenwischer

Wischanlagen sind unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Durch den Antrieb können in bestimmten Stellungen extreme Lasten beim Blockieren auftreten. Eine Blockierung des Wischsystems liegt zum Beispiel im Winter bei Schnee vor. Wird der Scheibenwischer hochgeklappt und dann wieder auf die Scheibe fallen gelassen, so darf weder der Wischer noch das Glas beschädigt werden. Dies wird mit einem Aufpralltest geprüft. Bei unsachgemäßem Wechsel der Wischerblätter, dem sogenannten Misuse-Test, wird der hochgeklappte Wischarm seitlich belastet. Zudem regen die Fahrzeugvibrationen die Wischanlage zum Schwingen an.

Die Blockierlastfälle und der Misuse-Test wurden mit statischen Analysen unter Berücksichtigung der Kinematik und des nichtlinearen Werkstoffverhaltens simuliert. Es erfolgte eine Bewertung der plastischen Dehnungen und der Knicksicherheit.

Dynamische Analysen sind Grundlage für die Simulation des Aufpralltests und der Schwingungsanregung. Der Aufpralltest erfolgte mit einer expliziten Kurzzeitdynamik-Simulation. Die Schwingungsanregung durch die Straßenbedingungen konnte mittels PSD-Analyse simuliert und eine Dauerfestigkeitsbewertung durchgeführt werden.

Bei der Auslegung von Wischanlagen müssen unterschiedliche Disziplinen perfekt zusammenspielen.

Durch den Einsatz moderner Simulationsmethoden können eventuell vorhandene Schwachstellen frühzeitig erkannt und optimiert werden. Die Qualität des Produktes wird verbessert und der Entwicklungsprozess drastisch beschleunigt.

Fahrzeugtechnik
Aerodynamik Tankfahrzeug

Der aerodynamische Widerstand ist eine maßgebliche Größe für den Kraftstoffverbrauch. Dieser ist durch die zuladungsoptimierte Form bei Nutzfahrzeugen häufig nicht optimal.

Die Umströmung eines Tankfahrzeuges wurde mit einem „virtuellen“ Windkanal simuliert. Anhand der Simulationsergebnisse können Verwirbelungen und Bereiche mit hohem oder niedrigem Druck visualisiert werden.

Zur Bewertung des aerodynamischen Verhaltens wurde die Strömungswiderstandskraft für Fahrzeugfront, Fahrzeugboden, Seiten und Heck ermittelt. Anhand dieser Erkenntnisse konnten strömungsoptimierte Formen abgeleitet werden.

Eine bessere Aerodynamik führte zu einer Effizienzsteigerung und zu einer maßgeblichen Reduzierung des Verbrauchs.

Apparate-, Behälter & Anlagenbau
Festigkeitsbewertung Druckbehälter

Die Anforderungen an Druckgeräte sowie die Regelungen für das Inverkehrbringen von Druckgeräten innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes sind in der sogenannten Druckgeräterichtlinie (früher: 97/23/EG, jetzt: 2014/68/EU) geregelt.

Die Hersteller von Druckbehältern, welche unter diese Richtlinie fallen, sind verpflichtet, rechnerische oder experimentelle Festigkeitsnachweise ihrer Produkte zu erbringen.

Ein Druckbehälter wurde unter Berücksichtigung des Eigengewichts, des Innendrucks und der an den Stutzen anschließenden Rohrleitungslasten statisch analysiert und gemäß EN 13445 bewertet.

Der statische Nachweis erfolgte für die gleichzeitig maximal auftretenden Lasten als plastischer Tragfähigkeitsnachweis.

Die Bewertung der Dauerfestigkeit der Schweißnähte und des Grundmaterials erfolgte gegen die zyklisch auftretenden Druckschwankungen am linear-elastischen Berechnungsmodell.

Durch die prüfbare Abschlussdokumentation zur Vorlage bei einer benannten Stelle ist der Hersteller dem Prüfer und seinem Endkunden gegenüber in der Lage, seine Produktsicherheit zu belegen.

Apparate-, Behälter & Anlagenbau
Standsicherheit Grundrahmen mit Aggregaten

Aggregate und deren Grundrahmen und Halterungen, insbesondere wenn sie als Redundanz für die Hauptsysteme einer Industrieanlage ausgelegt sind, müssen auch unter widrigen Umständen betriebsbereit sein und bleiben. So dürfen beispielsweise in Kraftwerken die Notstromaggregate und Pumpen für Kühlkreisläufe auch im Falle eines Erdbebens nicht ausfallen.

Um eine robuste Auslegung zu gewährleisten, werden für die Grundrahmen und Hauptaggregate solcher Anlagen rechnerische Standsicherheitsnachweise, z.B. gemäß DIN EN 199x (Eurocode) erstellt. Bei einem solchen Nachweis wird sichergestellt, dass tragende Bauteile nicht versagen und gehalterte Bauteile nicht herabfallen. Auch der Nachweis der Fundamentschrauben sowie die Bestimmung der Fundamentlasten ist Teil der Analyse. Bei besonders kritischen Komponenten kann der Nachweis durch zusätzliche Funktionslastfälle (Dichtheit, Wellenversatz, etc.) zum Funktionsfähigkeitsnachweis erweitert werden.

Im Simulationsmodell können z.B. Umweltlasten wie Wind, Schnee und Erdbeben (Antwortspektrenverfahren) oder Betriebslasten wie Innendruck und Stutzenlasten für den Spannungsnachweis berücksichtigt werden.

Durch die rechnerische Überprüfung der Auslegung kann der Betreiber oder Inverkehrbringer einer Anlage den hohen geforderten Ansprüchen an Qualität und Sicherheit gerecht werden.

Maschinenbau
Strömungssimulation Hydrant

Für die Leistung von Überflurhydranten ist der erzielbare Durchfluss eine wichtige Eigenschaft. Der Durchfluss hängt vom Netzdruck und von dem Strömungswiderstand des Hydranten ab.

Die Durchströmung des Hydranten wurde mittels Strömungsanalyse berechnet. Bei der Ausgangsvariante zeigten sich starke Verwirbelungen und ein hoher Strömungswiderstand.

Durch die Erkenntnisse aus der Simulation, konnte eine strömungsoptimierte Gestaltung der Abgänge realisiert werden. Bei der optimierten Geometrie findet ein fast wirbelfreies Ausströmen statt. Der Strömungswiderstand und die damit verbundenen Druckverluste wurden drastisch minimiert.

Der Durchfluss des Hydranten wird bei der optimierten Konstruktion nicht mehr von dem Druckverlust des Hydranten, sondern durch den Massenstrom des Versorgungsnetzes begrenzt.

Durch den Einsatz der Simulation und den daraus gewonnenen Erkenntnissen konnte ein Optimum für das strömungsmechanische Verhalten des Hydranten und ein technologischer Vorsprung erzielt werden.

Maschinenbau
Temperaturfeld und Festigkeitssimulation Pumpe

Bei vielen Anwendungen in der Technik kommt es zu prozessabhängigen Temperaturschwankungen. Involvierte Bauteile erwärmen sich und kühlen danach wieder ab. Durch solche Temperaturlastwechsel können enorme mechanische Beanspruchungen entstehen.

Für das Gussgehäuse einer Kreiselpumpe wurden die thermomechanischen Belastungen analysiert. Während große Wandstärken sich positiv auf das Drucktragverhalten auswirken, sind sie nachteilig bei Temperaturschwankungen. Mit Hilfe der Simulation konnten die hochbeanspruchten Bereiche identifiziert und ein Optimum für die dortigen Wandstärken gefunden werden.

Anhand des AD 2000 Regelwerkes konnte ein druckgeräterichtlinienkonformer Spannungsnachweis geführt werden, so dass die Pumpe zur Entwurfsprüfung und Zulassung durch den TÜV freigegeben werden konnte.

Maschinenbau
Temperaturfeldberechnung Gussform

Vortemperierte Formen für die Herstellung von Gussbauteilen müssen neben der Fähigkeit, die hohen Temperaturlasten mechanisch ertragen zu können, auch eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung der Schmelze während des Abkühlvorgangs gewährleisten.

Die transiente Untersuchung des Aufheizprozesses während des Einfüllens sowie des nachfolgenden Abkühlens zeigte Kältebrücken auf. Um diese Kältebrücken herum wurde die Wärme zu schnell an die Unterbaukonstruktion abgeführt, was zu einer inhomogenen Abkühlung der Schmelze und in der Folge zu unsauberen Gefügen und Bauteiloberflächen führte.

Zur Optimierung wurde der thermische Fluss durch gezieltes Einbringen von Bohrungen und Isoliermaterial im Bereich der Kältebrücken unterbrochen. Dies führte zu einer Homogenisierung der Temperatur innerhalb der Schmelze und somit zu einer höheren Gussqualität.