Mit der Strömungssimulation (CFD – Computational Fluid Dynamics) analysieren wir das Verhalten von Fluiden und deren Wechselwirkungen mit Oberflächen. Bereits in der frühen Entwicklungsphase untersuchen und optimieren wir Ihre Komponenten durch realitätsnahe 3D-Simulationen – mit präzisen Daten zu Druckverteilungen, Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturfeldern und Turbulenzen. Durch den Einsatz verschiedener Modelle sind wir zudem in der Lage, komplexe Phänomene wie chemische Reaktionen, Mehrphasenströmungen oder akustische Problemstellungen zu untersuchen.

Unsere vielseitigen Anwendungen der CFD-Simulation umfassen unter anderem die Aerodynamik, Motorkühlung, Batteriesysteme, Verbrennungsprozesse und Wärmeübertragung. Mit dieser breiten Expertise tragen wir dazu bei, Kundenprojekte zu optimieren und innovative, effiziente Lösungen für unterschiedlichste technische Herausforderungen zu entwickeln.

Eingesetzte Tools:

Siemens Star-CCM+
Ansys Fluent
Ansys EnSight
Converge
Siemens HEEDS
Beta Ansa
Siemens NX
Ansys Spaceclaim

↓ Projekte Strömungssimulation

Beölung Zweiphasenströmung (VOF)

Beölung von Zahnrädern in Getrieben als auch Spritzschmierung im Bereich der zerspanenden Bearbeitung sind typische Anwendungsfälle für komplexe Mehrphasensimulationen mit bewegten Teilen. Hierbei können benetzte Flächen, Schleppverluste, Wärmeabfuhr und weitere Parameter bestimmt werden, um Verschleißprobleme zu vermeiden oder existierende Schadensbilder zu verstehen.

Zusammenhängende Ölmengen aus Ölsumpf oder Ölstrahl werden durch rotierende Teile fein zerstäubt und verteilt. Durch präzise numerische Diskretisierung sowie Modellierung von Hafteigenschaften werden selbst kleinste Ölmengen und deren Interaktion erfasst. Darüber hinaus können mittels VOF-Simulationen Befüllprozesse, wie sie in Kühlkreisläufen oder Batterien stattfinden, abgebildet werden, um beispielsweise Lufteinschlüsse zu lokalisieren und zu eliminieren.

E-Motor Simulation

Im Zuge der E-Mobilität werden Berechnungsmethoden benötigt, um die Kühlleistung auf den Wicklungen von Elektromotoren zu berechnen. Aufgrund der unterschiedlichen Zustandsgrößen des Öls handelt es sich hierbei um höchst komplexe Berechnungen. Rotierende Ölstrahlen zerfallen aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit und dem Auftreffen auf die Wicklungen in immer kleiner werdende Tröpfchen, die Öl-Wolken bilden. Auf den Wicklungen und den Wänden bildet sich ein Ölfilm, der sich letztendlich an verschiedenen Stellen sammelt. Parallel dazu finden Wärmeübertragung und Elektromagnetismus statt.

Dank hybrider Mehrphasenmodelle können solche Berechnungen heutzutage mit sehr guter Genauigkeit und in einem erschwinglichen Kostenrahmen durchgeführt werden. Die rotierenden Ölstrahlen werden dabei mit Mixture Multiphase in Kombination mit Large Scale Interfaces (MMP-LSI) abgebildet. Der Zerfall in Tröpfchen wird durch eine Lagrange-Phase und die Tröpfchenverteilung durch S-Gamma modelliert. Auf der Außenwand und den Wicklungen bildet sich ein Fluid Film, in den die Tröpfchen eindringen und übergehen können. Durch die Möglichkeit der Kombination dieser verschiedenen Modelle in einer einzigen Simulation ist eine effiziente Berechnung möglich.

Fluid-Struktur-Interaktion

Interaktionen zwischen Fluiden und frei beweglichen Festkörpern werden mithilfe von Dynamic Fluid Body Interaction-Simulationen abgebildet. Dabei können Objekte durch entstehende Störgrößen wie Gravitation, Strömungskräfte, Haftreibung usw. bewegt werden. Beispiele für mögliche Anwendungsfälle sind Eintauchbewegungen von Schiffen, Schiffsschrauben und Turbinen von Wasserkraftanlagen oder pneumatische Ventile.

Darüber hinaus kann mittels Fluid Structure Interaction-Simulationen die Verformbarkeit des Körpers berücksichtigt werden. Diese Modellierungsmethode ermöglicht komplexe Berechnungen, beispielsweise im Bereich der Medizintechnik bei Herzklappen, aber auch bei der Verformung von Solarmodulen welche durch den Wind beeinflusst werden.

Kathodische Tauchlackierung

Um einen optimalen Korrosionsschutz zu gewährleisten und Problemstellen präzise zu identifizieren, werden Lackierprozesse wie die Kathodische Tauchlackierung (KTL) simulativ unterstützt. Durch Mehrphasensimulation (VOF) sowie Modellierung des Lackiervorgangs (E-Coating) können sowohl resultierende Schichtdicken und Lufteinschlüsse als auch deren Wechselwirkung bestimmt werden, während der Overset-Mesh-Ansatz das Abbilden der exakten Tauchbewegung im Becken ermöglicht.

Mithilfe von Kalibrierungszyklen wird ein hohes Maß an Genauigkeit in Bezug auf Schichtdicken gewährleistet. Effiziente Vernetzungsprozesse ermöglichen hoch automatisierte Arbeitsweisen, sodass in vergleichsweise kurzer Zeit komplexeste Geometrien millimetergenau aufbereitet und berechnet werden können.

Kühlungssimulation

Der Schlüssel zu einer langen Lebensdauer von Leistungselektronik liegt in ihrer effektiven Kühlung, um die zulässigen Höchsttemperaturen einzuhalten. Zur Entwicklung und Optimierung von Kühlsystemen sind Berechnungsmethoden erforderlich, die sämtliche Wärmeübertragungsmechanismen (Wärmeleitung, freie/erzwungene Konvektion, Wärmestrahlung) sowie aktive Kühlluftströmungen, oft erzeugt durch Lüfterräder, abbilden können. Die Modellierung rotierender Bauteile kann durch einen vereinfachten, stationären und sehr effizienten Moving-Reference-Frame-Ansatz (MRF) erfolgen.

Transiente Methoden sind physikalisch genauer und bieten Vorteile hinsichtlich der Ergebnisgüte, benötigen allerdings mehr Rechenzeit. Durch das tatsächlich rotierende Volumennetz können auch instationäre Effekte aufgelöst werden.

Kühlungsberechnungen ermöglichen Aussagen über Kühlluftmengen, Bauteiltemperaturen und relevante Wärmepfade. So kann ein vollständiges Systemverständnis erlangt und Optimierungspotentiale identifiziert werden.

Optimierung (Adjoint-Solver)

In dem Video wird die Freiformoptimierung einer Geometrie gezeigt, bei der die Massenströme an den beiden Ausgangsöffnungen identisch sein und der Druckverlust minimiert werden sollen. Anstatt viele Geometrien mit einer parametrisierten CFD-Optimierung (beispielsweise HEEDS) zu untersuchen, wird der Adjoint Solver verwendet. Dies ist ein numerischer Algorithmus, der mithilfe einer Zielfunktion berechnet, welche Geometrie innerhalb eines definierten Raumes das beste Ergebnis liefert. Dabei werden die folgenden vier Schritte durchlaufen:

1. Zunächst wird eine CFD-Simulation des aktuellen Designs durchgeführt, um die Strömungsverhältnisse und die Ausgangsleistung zu ermitteln.

2. Dann wird festgelegt, welche spezifische Größe optimiert werden soll, in diesem Fall der Druckverlust und die Massenströme.

3. Der Adjoint Solver wird eingesetzt, um zu bestimmen, wie Änderungen in der Geometrie oder den Randbedingungen die Zielfunktion beeinflussen.

4. Basierend auf den gewonnenen Daten wird das Design angepasst, um die Zielfunktion zu verbessern.

Dieser Prozess wird iterativ wiederholt, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.

Tauchprozesse und Beckenströmung

Bei der Durchführung von Tauchprozessen werden verschiedene Fragestellungen mithilfe von CFD- und FE-Berechnungen bewertet. Beispielsweise werden beim Ein- und Austauchen von Bauteilen die entstandenen Druckunterschiede untersucht, die dazu führen, dass außen- und innenliegende Teile zusammen- oder auseinander gedrückt werden. Dies birgt die Gefahr von plastischen Verformungen und Kleberversagen. Es können Drücke, Kräfte, Bauteilbewegungen und -verformungen analysiert und optimiert werden, um mögliche Risiken zu minimieren.

Nach dem Tauchprozess verbleiben oft Restflüssigkeiten in den getauchten Bauteilen. Um zu verhindern, dass diese Restflüssigkeiten in nachfolgende Becken verschleppt werden oder im Trockner einbrennen, wird eine VOF-Simulation eingesetzt. Diese ermittelt die verbleibenden Flüssigkeiten, die anschließend durch geeignete Öffnungen oder Bewegungen der Fördertechnik entleert werden können.

Die Simulation bietet zudem wertvolle Einblicke in die Strömungssituation im Becken. Basierend auf den vorherrschenden Prozessbedingungen können zielgerichtete Maßnahmen zur optimierten Umströmung der Bauteile getroffen werden, um den gesamten Prozess effizienter und zuverlässiger zu gestalten.

Trocknungsprozess

In einem Trocknungsprozess werden durch den Einsatz thermischer Verfahren Bauteile entfeuchtet. So wird beispielsweise in einem Konvektionstrockner eine Karosserie auf eine Zieltemperatur aufgeheizt, die von der Applikation abhängt. Dies ist notwendig, um Prozessstoffe einzubrennen. Durch den Einsatz der Co-Simulation kann der Prozess mit unterschiedlichen Zeitskalen abgebildet werden, was die Bewegung durch das Ofensystem und das gleichzeitige Aufheizen der Bauteile ermöglicht. Dabei wird die Bewegung im Fluid (Rechengebiet stationär) gelöst, während die Wärmeleitung im Bauteil (zeitabhängig/transient) in einer zweiten Region (Solid) berechnet wird. Diese Methode ermöglicht eine genaue Bewertung, um Produkt und Anlage hinsichtlich Zielbedingungen und Energieeffizienz wirtschaftlich zu optimieren.

Abschließend können Bauteiltemperaturen mithilfe eines Mapping-Verfahrens auf Finite-Elemente-Netze projiziert werden, die als Randbedingung für eine thermomechanische Verzug-Berechnung dienen.

Weitere Beispiele

Co-Simulation

Bei Berechnungsverfahren, bei denen in einer Simulation die Kopplung zwischen zwei Kontinua mit unterschiedlichen Zeitskalen bewertet werden muss, kommt unsere eigens dafür entwickelte Co-Simulation zum Einsatz. Durch diesen Ansatz kann die Berechnungszeit deutlich reduziert werden, bei gleichbleibender Ergebnisgüte. Beispiele sind dabei Kopplungen zwischen transienten Luftströmungen und Solid-Bauteilen, die ein sehr träges thermisches Verhalten aufweisen. Abkühl- und Aufheizvorgänge können mit diesem Ansatz ebenfalls kostengünstig bewertet werden.

Mischprozesse

Bei der Mischung von einphasigen Stoffen setzen wir in unseren Berechnungsmethoden auf die Large Eddy Simulation (LES), um das turbulente Verhalten mit hoher Genauigkeit abzubilden und dabei ein ausgewogenes Verhältnis zu den Simulationskosten zu wahren.

Turbolader- und Verdichtersimulationen

Bei den Turbolader- und Verdichtersimulationen werden sowohl stationäre als auch transiente Berechnungen durchgeführt. Dabei werden Kennfelder durch die Simulation erzeugt. Zusätzlich können die Grenzbereiche definiert werden, in denen die Pump- und Stopfgrenzen erreicht werden. Es ist außerdem möglich, das thermische Verhalten zu bewerten und Versagensschwachstellen zu lokalisieren.

Kondensation und Verdampfung

Vor allem im Bereich von Wasserstoffantrieben sind Phasenübergänge von großer Bedeutung, die durch geeignete Kondensations- und/oder Siedemodelle abgebildet werden können. In Kombination mit der Fluid-Film-Modellierung kann außerdem ein komplexes Mehrphasenproblem einphasig und damit vergleichsweise schnell und kosteneffizient bewertet werden. Zusätzlich ermöglicht die Bestimmung von kritischen Temperaturbereichen Aussagen in Hinblick auf mögliche Vereisung.

Spritzzonenverschleppung

Vor, zwischen und nach Tauchbecken von Beschichtungsprozessen werden Bauteile oder Karosserien in Spritzzonen gereinigt. Durch den Spritzvorgang kann zusätzlich Flüssigkeit ins Innere der Bauteile gelangen. Da in dieser Phase oft die Ausrichtung der Fördertechnik konstant bleibt, kann ein Ablaufen in der Simulation untersucht und abgesichert werden.

Verschmutzungssimulation

Durch Verschmutzungssimulationen lässt sich das Partikelverhalten basierend auf Strömungsfeldern präzise vorhersagen. Dabei werden sowohl feine Schmutzpartikel (Lagrange) als auch gröbere Partikel (Discrete Element Method) analysiert. Besonderes Augenmerk liegt auf der Auftreffwahrscheinlichkeit und dem Verblockungsverhalten der Partikel. Für maximale Flexibilität können vielfältige physikalische Einflüsse wie Partikelform, -größe und Haftkräfte berücksichtigt werden.

In der Struktursimulation analysieren wir das mechanische Verhalten von Bauteilen und Systemen unter verschiedenen Belastungsbedingungen mithilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM). Diese ermöglicht durch das Lösen partieller Differenzialgleichungen die präzise Modellierung und Bewertung komplexer Strukturen. Unsere Simulationen liefern detaillierte Einblicke in Spannungsverteilungen, Verformungen und weitere physikalische Parameter, sodass potenzielle Schwachstellen frühzeitig erkannt und in der Entwicklungsphase optimiert werden können.

Ein wesentlicher Bestandteil unserer Arbeit ist die Umformsimulation, mit der wir Prozesse wie Warm- und Kaltumformungen analysieren. Dabei prognostizieren wir Materialverformungen sowie potenzielle Fehler wie Rissbildung oder Falten und optimieren Material- und Werkzeugbelastungen. Wir stellen eine hohe Prozessqualität in mehreren Anwendungsbereichen sicher. Zum einen in der Festigkeitsanalyse in der Automobil- und Luftfahrttechnik. Hier begleiten wir den Produktentstehungsprozess vom Einzelteil zur fertigen Baugruppe mithilfe der Zusammenbausimulation (Schweißen, Clinchen, Rollfalzen, …). Durch die Trockner-, Tauch- und Montageprozesse entstehen thermische Verzüge auf die Baugruppe und mechanische Belastungen auf die Anbauteile und die Betriebsmittel. Die aus den Simulationen abgeleiteten Optimierungen umfassen sowohl das Produkt als auch den Fertigungsprozess.

Weitere Anwendungsbereiche reichen von der Optimierung von Maschinenkomponenten bis hin zur effizienten Gestaltung von Umformprozessen. Unsere Erfahrung in Struktursimulation und Umformsimulation ermöglicht es uns, zuverlässige Lösungen für Ihre Anforderungen zu realisieren.

Eingesetzte Tools:

Simulia Abaqus
Ansys LS-Dyna
DEFORM
Simufact Forming

↓ Projekte Struktursimulation

Massivumformung Drahtwicklung

Bei der Massivumformung Drahtwicklung wird der Drahtlegungsprozess einer Wickelmaschine in dem gezeigten Beispiel simulativ dargestellt. Solche Simulationen werden zur CAD-Modellierung der Drähte verwendet, wodurch Fehler bei der manuellen Wicklungserstellung in CAD vermieden werden. Zudem ermöglicht die Simulation, den tatsächlichen Prozess des Fertigungsautomaten digital abzubilden. Dadurch können einerseits Kosten durch eine verkürzte Konstruktionszeit eingespart werden, andererseits wird die Funktionsweise einer Elektromotor-Spulen-Wickelmaschine digital abgebildet.

Mehrphasige Umformprozesse

Mehrphasige Umformprozesse sind Umformverfahren, die in mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten durchgeführt werden, um ein Werkstück schrittweise in die gewünschte Form zu bringen. Dabei können unterschiedliche Umformmethoden (Biegen, Prägen usw.) kombiniert oder ein einzelnes Verfahren in mehreren Stufen angewendet werden.

Die Umformsimulation liefert Informationen über Materialfluss, Prozesskräfte und auftretende Spannungen und unterstützt die Auslegung sowie Optimierung von Prozessen.

Thermomechanischer Verzug

Während eines Trocknungsprozesses kommt es durch hohe Temperaturgradienten zwischen den Bauteilen zu unterschiedlichen Ausdehnungsbewegungen im Materialmix einer Baugruppe. Diese Bewegungen können durch aushärtende Kleber »eingefroren« werden, woraus bleibende Verformungen resultieren.

Auf Basis der Simulation findet eine Optimierung der Fügetechnik und der Bauteile in kritischen Bereichen statt. Eine detaillierte Bewertung der Fügetechnik ist ebenfalls möglich. Die benötigten Temperaturrandbedingungen werden durch eine zuvor durchgeführte CFD-Simulation oder Messungen bestimmt und auf das FE-Netz projiziert.

Weitere Beispiele

Batteriemontage

Die Montage der Batteriebaugruppe erzeugt Verformungen im gesamten Rohbau. Insbesondere ungünstige Toleranzfelder der Batterie und des Rohbaus können diese Verformung weiter verstärken. Die Verformung in unterschiedlichen Toleranzlagen gilt es abzusichern. Außerdem können Kräfte in den Schraubverbindungen ermittelt werden, die aus dem Toleranzfeld resultieren.

Fügesimulation

Beim Fügen von Baugruppen durch thermische und mechanische Fügeverfahren wie zum Beispiel: Punkt- und Laserschweißen, Clinchen oder Rollfalzen entstehen Spannungen sowie plastische Verformungen. Durch die Fügesimulation lassen sich diese Prozesse detailliert analysieren. Sie ermöglicht die Vorhersage von Spannungen und Verformungen, sodass gezielte Optimierungsmaßnahmen für einzelne Bauteile und Betriebsmittel abgeleitet werden können. Auf diese Weise lassen sich bestehende Fertigungsprobleme erkennen und effizient lösen. Begleitend zur digitalen Produktentwicklung trägt die Fügesimulation dazu bei, den Einsatz von Hardware zu minimieren und die Qualität zu steigern.

Skidauflage

Die Positionierung und Umsetzung der Fahrzeugkarosserie auf unterschiedlichen Skids erzeugt wechselnde Verformungszustände durch das Eigengewicht.
Anbauteile (Gewichtsvariationen), die im Entstehungsprozesse hinzugefügt werden, können zusätzlich abgesichert werden.

Einseitiges Anheben

Das einseitige Anheben der Motorhaube erzeugt eine Verdrehung der Baugruppe. Dies zeigt sich an einem kleiner werdenden Spalt zwischen Kotflügel und Motorhaube. Eine Kollision oder Berührung gilt es zu vermeiden.

Glasfestdach

Das Glasfestdach wird mittels einer Klebeverbindung mit dem Rohbau gefügt. Das Einbringen erfolgt mittels Greifer an definierten Stellen.
Es gilt die Spannungen und absolute Verformungen des Klebers im Montageprozess abzusichern und die Greiferpositionen zu Optimieren. Es wird das Glasdach und auch die Aufnahme am Rohbau untersucht und abgesichert.

Verrollen

Das Verrollen ist ein Umformverfahren, bei dem ein Werkstück durch die Bewegung von Rollen plastisch verformt wird und zur Herstellung von Baugruppen genutzt werden kann. Durch Simulationen wird das Prozessverständnis vertieft und der Einfluss kritischer Prozessparameter auf die Qualität der Baugruppe analysiert. Zudem lassen sich Experimente zur quantitativen Bewertung der Baugruppe simulativ abbilden, sodass eine direkte Validierung möglich ist.

Die Vielfalt unserer Berechnungsverfahren erfordert flexible und anpassungsfähige Automatisierungslösungen, die auf die individuellen Bedürfnisse unserer Kunden abgestimmt sind. Wir entwickeln eigenständige Programme, die das Pre- und Post-Processing für CAE-Anwendungen automatisieren und für den Endanwender mit einer benutzerfreundlichen grafischen Oberfläche visualisiert werden.

Durch gezielte Prozessautomatisierung steigern wir die Effizienz, senken Kosten und minimieren Fehler. So ermöglichen wir verlässliche Liefertermine und höchste Qualitätsstandards für all unsere Kunden.

Eingesetzte Programmiersprachen:

JAVA
Python
Bash-Scripting
C

↓ Prozessautomatisierung

Toolbox

Aufgrund der Anforderungen an hohe Flexibilität und ein großes Anpassungsvermögen unserer Automatisierung haben wir im Rahmen eines ZIM-Projekts einen universellen Prozess entwickelt. Unsere Mitarbeiter werden bei der Anwendung dieses Prozesses durch unseren hauseigenen Simulations-Assistenten unterstützt. Die Vielzahl der darin enthaltenen Werkzeuge wird durch folgende Funktionen ergänzt:

Automatischer Geometrie-Import und Benamung nach Nomenklatur
Automatisches Setup (Vorgabe der Randbedingungen im Excel- oder JSON-Format)
Automatische Power-Point Auswertung für Folgeberechnungen

Stark nachgefragte Berechnungsverfahren, deren Entwicklung abgeschlossen ist, können auf der Basis der im Simulations-Assistenten verwendeten Funktionen fast vollständig automatisiert werden.

Weitere Beispiele

EnSight Toolbox

Die EnSight Toolbox unterstützt Mitarbeitende dabei, Simulationsergebnisse effizienter in Ansys EnSight zu importieren und das Erstellen von Post-Processing-Objekten (wie Schnittebenen, Vektordarstellungen, Isosurfaces und -volumen, etc.) zu automatisieren. Die Datensätze werden verfahrensspezifisch über eine GUI eingelesen, wobei bis zu sechs Simulationsergebnisse miteinander verglichen werden können.

Des Weiteren ermöglicht ein JSON-Importer, Scenes aus Siemens Star-CCM+ in EnSight nachzubilden. Die erstellten Scenes werden in States gespeichert, wodurch sie von den Mitarbeitenden angepasst werden können.

ANSA Batch-Mesh

Die ANSA Batch-Mesh Funktion ermöglicht es Mitarbeitenden, den Prozess der Netzgenerierung für Simulationen zu automatisieren und zu optimieren. Mit dieser Funktion können große Mengen an Geometrien effizient und konsistent verarbeitet werden, wodurch die Qualität und Genauigkeit der Simulationsergebnisse verbessert wird.

Über eine benutzerfreundliche GUI können verschiedene Netzparameter und Einstellungen konfiguriert werden, um den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Simulation gerecht zu werden. Die Batch-Mesh Funktion unterstützt zudem die parallele Verarbeitung mehrerer Geometrien, was die Gesamtbearbeitungszeit erheblich reduziert.