Dynamische Analyse

Der Einsatz der dynamischen Simulation ist in vielen Fällen eine interessante Ergänzung oder Alternative zu physikalischen Tests: außergewöhnliche oder gar einzigartige Produkte oder Komponenten, komplexe oder gar nicht durchführbare physikalische Tests, Schwierigkeiten bei der Materialbeschaffung – all dies sind Gründe, die unsere Kunden zu dieser Art der Simulation hinführen. Zu den Stärken gehören:

Da diese numerischen Simulationen keine physische Hardware benötigen, die kalibriert oder qualifiziert werden muss, entstehen keine Ausschussware oder Abfälle. Physikalische Tests können dazu dienen, das ursprüngliche Modell zu speisen und sind dann durch das digitale Modell ersetzbar, was den Verbrauch physischer Ressourcen (Materialien, menschliche Mittel …) begrenzt.

Die Durchführung physischer Tests kann zeitaufwändig sein, da die Vorbereitung, die Durchführung, die Analyse der Ergebnisse und Iterationen viel Zeit in Anspruch nehmen. Mithilfe der Simulation können die Ergebnisse je nach Komplexität innerhalb von Stunden oder Tagen erzielt werden, indem die Stilllegung von Geräten begrenzt wird.

Numerische Simulationen ermöglichen die Analyse einer Vielzahl von Szenarien durch die genaue Kontrolle von Parametern wie Lastbedingungen, Materialparametern, Randbedingungen usw. ohne Beeinflussung durch äußere Faktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck etc. Zu den Belastungsbedingungen gehört die Definition der Kräfte, Massen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Systems.

Numerische Simulationen können mehrmals mit unterschiedlichen Parametern wiederholt werden, um alternative Szenarien und Ergebnisvariationen zu erforschen, im Gegensatz zu physikalischen Tests, die schwer zu wiederholen sein können, besonders wenn sie zerstörerisch sind.

Numerische Simulationen können verwendet werden, um gefährliche Szenarien zu bewerten, ohne die Sicherheit von Personen oder Geräten zu riskieren.

Einige Größen können nur mithilfe von Sensoren gemessen werden, die in den interessierenden Bereichen schwer zu implementieren sind oder die Dynamik des realen Systems stören könnten. Die Simulation ermöglicht es, sich von diesen Einschränkungen zu befreien.

Die Schlüsselfaktoren für eine erfolgreiche Simulation sind eine gute Definition des erwarteten Genauigkeitsgrades und ein gutes Verständnis der Physik des Systems.

Die Korrelation mit physikalischen Tests ermöglicht eine vollständige Validierung des Modells.

Dynamische Analysen können verschiedene Arten von Analysen sein:

Implizite oder explizite Transientenanalysen (schnelle Dynamik). Diese Simulationen können auch nur aus Starrkörpern bestehen (Mehrkörperanalyse).
Schwingungsanalysen (modal, spektral, PSD)
Harmonische Analysen

Die implizite transiente Analyse ist eine Modellierungstechnik, mit der das Verhalten eines Systems im Laufe der Zeit durch Iteration simuliert werden kann. Sie ermöglicht es, das Verhalten eines Systems auf verschiedenen Detailebenen zu modellieren und dabei die Interaktionen zwischen den verschiedenen Teilen des Systems zu berücksichtigen. Mithilfe der dynamischen Simulation kann das Verhalten komplexer Systeme untersucht werden, z. B. von mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder thermischen Systemen.

Die schnelle dynamische Simulation hingegen ist eine Simulationstechnik, die es ermöglicht, dynamische Systeme mit einer sehr feinen zeitlichen Auflösung zu simulieren. Sie verwendet numerische Methoden, die schneller als die klassische dynamische Simulation sind, um die Modellgleichungen zu lösen, was Simulationen mit hoher Frequenz ermöglicht. Diese Technik wird häufig verwendet, um das Verhalten von Systemen zu untersuchen, die schnellen Veränderungen ausgesetzt sind, wie z. B. Erschütterungen, Explosionen etc.

Schwingungsanalysen, die linear sind, basieren auf einer Modalanalyse des Systems. Durch Verarbeitung und Kombination dieser Modi kann eine zeitunabhängige, aber dem angewandten Frequenzspektrum entsprechende Antwort erzielt werden.

Oberschwingungsanalysen hingegen liefern die Antwort des Systems bei einer bestimmten Frequenz unter wechselnden Belastungen. Während die Modalanalyse die Resonanzfrequenzen definiert, kann man mithilfe der harmonischen Analysen ihre Reaktion (Verschiebungen, Spannungen) bei und um diese Frequenzen herum berechnen.

Die Simulation liefert wertvolle Antworten zu Stößen, Materialien, für die Sicherheit

In vielen Innovationsprojekten werden Simulationen dazu dienen, das Verhalten unter verschiedenen Bedingungen zu testen, um die vorgegebenen Kriterien zu erfüllen. Hier einige Projektbeispiele:

Sie können sich auf bestehende Testmethoden wie den Pendelschaf-Test, die Entwicklung spezifischer Tests nach Normen (z. B. die Uhrennorm NIHS 91-10) oder mechanische Kriterien stützen. Neben der Modellierung von Versuchen sind auch Fallberechnungen (z. B. Fall einer Bohrmaschine auf den Boden) zu erwähnen, die im Vorfeld der Berechnung die Definition des kritischen Fallwinkels erfordern.

Dynamische Simulationen können verwendet werden, um die Sicherheit verschiedener Systeme wie Infrastrukturen, Gebäude, Fahrzeuge usw. zu bewerten, indem man versteht, wie sie sich unter extremen oder krisenhaften Bedingungen verhalten werden, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Elementen (EIPS-Simulation). Diese Art der Analyse umfasst Analysen der Schnelldynamik (z. B. Berechnung eines plötzlichen Bruchs einer Hochdruckleitung), der Schwingungsdynamik (Auswirkungen eines Erdbebens auf das Verhalten von Platinen), aber auch der transienten Dynamik mit z. B. der Simulation eines Druckstoßes in einer Rohrleitung oder der Öffnung eines Sicherheitsventils in einem Flüssigkeitskreislauf.

Auch die Materialeigenschaften müssen für jedes Element festgelegt werden, z. B. Dichte, Elastizitätsmodul, Poissonzahl usw. Im Rahmen seiner CSR-Maßnahmen möchte der Kunde zum Beispiel die Verwendung von bio-basierten und recycelbaren Materialien bevorzugen, ohne die Qualität seines Endprodukts zu beeinträchtigen. Die Simulation ermöglicht es, die Materialauswahl zu lenken, die Anzahl der physischen Prototypen zu begrenzen und die Dauer der physischen Testkampagne zu verkürzen.

Die dynamische Simulation kann zur Modellierung von Naturphänomenen wie Erdbeben, Ozeanwellen usw. verwendet werden, indem man versteht, wie Kräfte und Bewegungen auf diese Systeme einwirken.

Je nach den gewählten Analysen werden bei DAES hauptsächlich folgende Softwarelösungen eingesetzt:

Abaqus, LS-DYNA: Finite-Elemente-Berechnung, Stöße und Schläge auf alle Arten von Materialien (viskoelastisch, Verbundwerkstoffe, Kunststoff….), bei Bedarf unter Berücksichtigung von thermischen und fluidischen Phänomenen.
OpenModelica: Kontrollsysteme, elektrische, mechanische, thermische Systeme in 1 Dimension, OpenSource Pendant zu Tools wie Simulink oder Dymola
Ansys Mechanical für implizite dynamische Analysen, Vibrationen, Oberschwingungen.
Ansys Mechanical für Simulationen der Starrkörperdynamik (ähnlich wie MSC Adams) für z.B. Fahrzeugaufhängungen, Bremssysteme, Hebemechanismen,…