ANSYS im Dienste der Gesundheit

Transcription

Ausgabe 01/2009
02/2010
www.cadfem.de
Infoplaner
FEM: Software · Support · Seminare · Berechnung im Auftrag
FEM-Simulation in der Medizintechnik, Biomechanik, Prothetik, Implantologie
• Optimierung medizinischer Produkte bei Siemens
• Auslegung von Zahnimplantaten: 2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen
• CFD-Simulation eines Inhalators: Einfach tief durchatmen
Editorial
Familienunternehmen:
Übergabe an die nächste Generation
„A-ha, a-ha, ich geh zum Se-mi-nar“ – diesen Satz, rhythmisch wiederholend, bin ich,
vergleichbar mit dem Rumpelstilzchen, im
Kreis gelaufen und hatte dabei eine gelbe
ANSYS Plastiktüte in der Hand. Das sind
die ersten Erinnerungen, die ich mit
CADFEM, ANSYS und der Finiten Elemente Methode in Verbindung bringe. Ich muss
ungefähr fünf Jahre alt gewesen sein.
Meine Mutter lag damals krank im Bett
und ich versuchte, sie damit aufzuheitern.
Denn mein Vater war – wie so oft – geschäftlich unterwegs. Ich vermute, er gab
ein ANSYS-Seminar.
Heute, viele Jahre später hat die Firma ihren
25. Geburtstag gefeiert (vgl. Editorial Infoplaner 01/2010). In diesen 25 Jahren ist
aus dem „Zwei-Mann-Betrieb“ eine Firma
mit ca. 40 Mio. Euro Umsatz und 130 Mitarbeitern in Deutschland geworden; zudem ist mein Vater jetzt, wie er zu sagen
pflegt, Rentenbezugsberechtigter.
meinsamen Bergwanderungen oder Autofahrten entstanden oftmals die Ideen für
das anstehende Users’ Meetings oder die
nächste Firmenfeier.
Eine naheliegende und durchaus attraktive
Option ist, die Firma zu verkaufen. Kaufangebote erhalten wir mehrmals im Jahr. Mit
einem Verkauf wären wir frei von Sorgen,
man könnte sich selber verwirklichen,
eigene Wege gehen, wie es immer so
schön heißt. Diese Möglichkeit war meiner
Schwester und mir immer freigestellt.
Auf der anderen Seite: wäre es nicht traurig, eine intakte Firma in fremde Hände zu
geben, alles was über Jahre aufgebaut
wurde, aufzugeben? Außerdem bietet eine
eigene Firma auch zahlreiche schöne Seiten,
wie wir ebenfalls erfahren durften.
Insgesamt gibt es über 3 Mio. familiengeführte Unternehmen, die früher oder später vor einer ähnlichen Situation stehen:
der Unternehmensnachfolge. Allein in den
Jahren 2010 – 2014 sollen es laut dem IfM
Bonn ca. 22.000 Unternehmen pro Jahr
sein.
Auf den ersten Blick scheinen wir, also generell Kinder von Unternehmern, von
außen betrachtet privilegiert zu sein. Haben wir doch das große „Glück“, eine Firma zu erben. Wir können uns ohne eigene Leistung – alleine durch Erbschaft – auf
den Chefposten befördern. So einfach
könnte es sein, ist es aber leider nicht.
Wir Kinder, in diesem Fall meine Schwester
und ich, haben in den letzten 25 Jahren erlebt, dass eine Firma ein hohes Maß an
Arbeitseinsatz, Disziplin und Verantwortung bedeutet. Den Feierabend, Samstag
oder Sonntag gibt es so, wie viele ihn
kennen und schätzen, nicht. Das Geschäft
trägt man wie in einem Rucksack bei sich.
So erinnere ich mich z.B. an Urlaubsfahrten, die geschickt mit einem kurzen Geschäftsbesuch verbunden wurden. Bei ge-
Als ich damals mit der gelben ANSYS
Plastiktüte im Kreis lief, hatte ich keine Ahnung, dass eine solche Entscheidung jemals anstehen würde. In den letzten Jahren wurde es aber langsam ernst, eine Entscheidung wurde fällig, denn nach eigener
Aussage möchte mein Vater nicht bis zum
„letzten Schnapperer“ (Zitat!) in der Firma
tätig sein. Am Ende vom Heft, auf Seite 54,
können Sie mehr zu seinen Plänen lesen.
Meine Schwester und ich haben entschieden, die Firma nicht zu verkaufen und waren uns immer einig, dass ich in der Firma
weiter tätig sein sollte. Dennoch kam es
für mich nie in Frage, mich in ein gemachtes Nest zu setzen. Wir haben Mitarbeiter,
die unser Geschäft in vielen Jahren erfolg-
reich mit aufgebaut haben, und es gut verstehen eine Firma zu leiten. Zu diesen Mitarbeitern habe ich vollstes Vertrauen und
lasse ihnen hier gerne den Vortritt bei der
Geschäftsführung (vgl. Editorial Infoplaner
02/2009). Aber nicht ganz!
Ich kenne die Firma seit Anfang an, habe
die ersten Infoplaner persönlich mit (der
Zunge abgeschleckten) Briefmarken beklebt
und versandfertig gemacht, war als Handballtorwart Werbeträger der Firma, habe
mit 18 Jahren meine erste ANSYS Berechnung durchgeführt, habe die Geschäftsberichte der letzten Jahre verfasst und habe
die von meinem Vater geprägte Firmenphilosophie verinnerlicht. Ich fühle mich
also bestens gerüstet, demnächst, als weiterer Geschäftsführer, die Aufgaben von
meinem Vater zu übernehmen.
Parallel dazu werde ich jedoch ein neues
Nest bauen, mit dem ich mich verwirklichen
und auch ein paar eigene Fußstapfen hinterlassen kann. Dieses Nest heißt „FEMSimulation in medizinischen Anwendungen“, kurz „Biomechanik“. Mehr dazu
finden Sie in diesem Infoplaner, dessen
Schwerpunkt „Medizintechnik und Biomechanik“ ist. Dieses neue Nest ist noch
klein; so stehen wir mit der FEM-Simulation in der Biomechanik heute vielleicht
dort, wo die Automobilindustrie Mitte der
achtziger Jahre mit der FEM-Simulation
stand.
Ich erinnere mich an einen Satz, den ich
mal aufgeschnappt hatte: Mitte der achtziger Jahre saßen in der Automobilindustrie die FEM-Simulanten im Flur hinten
rechts und wurden für ihre Simulationen
müde belächelt. Seit kurzem ist unser Biomechanik-Zimmer im Flur hinten rechts. Sie
können jetzt gerne müde lächeln.
Christoph Müller
Infoplaner 02/2010
1
CADFEM
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Infoplaner 02/2010
CADFEM
Collage: Jan-Stefan Knick
Infoplaner 02/2010
3
Inhalt
Inhalt
Die numerische Simulation ist in der Medizinbranche angekommen: Während sie insbesondere
bei den großen Namen der Medizintechnik wie Siemens oder Boehringer Ingelheim längst ihren
festen Platz hat, ist sie in den Bereichen Implantologie und Prothetik, also in der patientenindividuellen Anwendung, auf dem besten Weg dazu.
Seite 14 – 27
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Veranstaltungen zum Thema Simulation & Medizin/Biomechanik
Seite 28
Robuster simulieren in ANSYS Workbench
Vor allem Materialkennwerte und Lasten unterliegen in der realen Welt oft Streuungen, die
schwer zu kontrollieren sind. ANSYS Workbench bietet Werkzeuge, die diese Phänomene berücksichtigen.
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Seite 38
Neue Perspektiven in der Akustik-Berechnung
ANSYS Workbench und ACTRAN von der Firma FFT bilden eine perfekte Einheit aus effizientem
Preprocessing und modernster Solvertechnologie im Bereich der Akustik-Berechnung.
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Seite 40
eFEM für Praktiker: Denn sie wissen, was sie tun!
Mit der berufsbegleitenden CAE-Weiterbildung „eFEM für Praktiker“ können Techniker, Konstrukteure und Versuchsingenieure Wissenslücken im Bereich der FEM-Grundlagen schließen.
46
Seite 46
Nachweis der Festigkeit für Bauteile mit Defekten
Aus katastrophalen Schäden infolge von Sprödbruch entwickelte sich das Fachgebiet Bruchmechanik als die Wissenschaft vom Verhalten rissbehafteter Körper. Eine Einführung.
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Infoplaner 02/2010
Seite 48
Inhalt / Impressum
01 Editorial
CADFEM
02 CADFEM wird 25 Jahre jung!
06 Batterieentwicklung: Partnerschaft mit dem ZSW
08 CADFEM News – Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt
30 ANSYS Conference & 28. CADFEM Users’ Meeting 2010 in Aachen
54 Was macht jetzt eigentlich der GuM?
Themenschwerpunkt Medical
14 FEM-Simulation im Dienste der Gesundheit
16 Siemens: Designanalyse moderner Hochleistungsröntgenröhren
mit ANSYS Workbench
18 Dentaurum: 2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen – Innovative Zahnimplantate,
mit ANSYS optimiert und dauerfest ausgelegt
20 Boehringer Ingelheim: Einfach tief durchatmen – Optimierung
eines Einzelkapsel-Inhalators
22 Auf einem guten Weg: AnyBody und ANSYS in der Fußchirurgie
24 Patienten-individuelle Simulationen
26 Von der Computertomografie zum FEM-Simulationsmodell
27 Leichter bergen durch Composites
28 Simulation & Biomechanik: Veranstaltungen im Herbst
ANSYS & komplementäre CAE-Software
32 ANSYS & CADFEM – Ihr ANSYS Competence Center FEM
34 ANSYS Produkte & komplementäre CAE-Lösungen
36 Vernetzung strukturmechanischer Modelle in ANSYS Workbench
38 Robuster Simulieren in ANSYS Workbench
40 ANSYS Workbench und FFT ACTRAN: Neue Perspektiven in der Akustik-Berechnung
42 Integrative Werkstoffmodellierung von Kunststoffen in ANSYS Workbench
esocaet – European School of Computer Aided Engineering Technology
44 esocaet setzt neue Standards
44 Berufsbegleitend zum Master of Engineering
45 5. CAE-Forum widmete sich der Robustheit
46 eFEM für Praktiker: Denn sie wissen, was sie tun!
Grundlagen & Technologie
48 Nachweis der Festigkeit für Bauteile mit Defekten
CADFEM Empfehlungen
52 Kurzfilm überzeugt Publikum und Jury
55 Kurze Prozesse mit der CRM-Software Vemas.NET
56 Bestellformular für Bücher und Software
U2
29
41
U3
8-13
Anzeige Deutsche Bank
Anzeige HP
Anzeige IBM
Anzeige Hoppenstedt Publishing
Anzeigen unserer Geschäftspartner zum CADFEM Jubiläum
Impressum
Herausgeber:
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© 2010 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten.
Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalb
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ohne Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig.
Dies gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen:
ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS,
ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics,
ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench,
ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN,
ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft
Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer,
RMxprt, PExprt, ANSYS nCode DesignLife, ANSYS
Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite
PrepPost, ANSYS HPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen von ANSYS, Inc. sind registrierte
Warenzeichen oder Warenzeichen von ANSYS, Inc.
und Ansoft Corp.. LS-DYNA, LS-OPT und LS-PrepPost
sind registrierte Warenzeichen der Livermore Software
Technology Corp..
Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sind
Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung
kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vorbehalten.
Trademarks:
ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS,
ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics,
ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench,
ANSYS CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN,
ANSYS FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft
Designer, SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer,
RMxprt, PExprt, ANSYS nCode DesignLife, ANSYS
Rigid Dynamics, ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite
PrepPost, ANSYS HPC and all ANSYS, Inc. product and
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Wir bedanken uns herzlich bei allen Anzeigenkunden für die Schaltung
und die guten Wünsche!
Infoplaner 02/2010
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CADFEM
Zentrum für Sonnenenergie- und WasserstoffForschung Baden-Württemberg (ZSW)
Zusammen mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen gründete das Land BadenWürttemberg 1988 das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
als gemeinnützige Stiftung des bürgerlichen Rechts. Zweck der Stiftung war, Erkenntnisse der Grundlagenforschung auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien und der rationellen Energiewandlung beschleunigt in
vermarktungsfähige Anwendungstechnik umzusetzen und an die Wirtschaft des Landes zu transferieren.
Heute genießt das ZSW mit mehr als 200 Mitarbeitern an den Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall als
eines der führenden europäischen Energieforschungsinstitute weit über die Grenzen Baden-Württembergs
hinaus einen exzellenten Ruf. Joint-Ventures und der wachsende Anteil von Industrieaufträgen demonstrieren die konsequente Anwendungsnähe.
Ziele der Arbeit des ZSW sind:
• Forschung und Entwicklung für
Technologien zur nachhaltigen und
klimafreundlichen Bereitstellung von
Strom, Wärme und regenerativen
Kraftstoffen
• Umsetzung von F&E-Ergebnissen in
markttaugliche Produkte (Technologietransfer)
• Beratung von politischen
Entscheidungsträgern und Fachverbänden
• Öffentlichkeitsarbeit zu erneuerbaren
Energien
Aktuelle Schwerpunkte sind:
• Photovoltaische Materialforschung
und -Entwicklung für DünnschichtTechnologien
• Photovoltaische Modul- und Systemtechnik sowie Modul- und Anlagencharakterisierung
• Wasserstofftechnologie
• Batterietests und Batteriesicherheitstest
• Produktionstechnologien und neue
Materialien für Lithium-Ionen-Batterien
• Brennstoffzellenentwicklung und
-herstellung und Testzentrum
• Regenerative Kraftstoffe und
Verfahrenstechnik
• Modellierung und Simulation
• Energiewirtschaftliche Systemanalyse
Das ZSW ist eingebunden in zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsnetzwerke im
In- und Ausland.
Beispiel Batterieentwicklung
Im Bereich der Batterien entwickelt das
ZSW immer leistungsfähigere Aktivmaterialien, um die Kosten zu verringern und
gleichzeitig die Speicherkapazität zu erhöhen. Neueste Materialkombinationen
werden zusammengesetzt, analysiert und
ihre Eigenschaften über mathematische
Modelle simuliert. Erweist sich eine Materialkombination für eine bestimmte Anwendung als besonders geeignet, stehen
Fertigungsanlagen für die Herstellung von
Prototypen verschiedener Bauarten von
Zellen zur Verfügung. Damit diese sich in
der Praxis unter extremsten Bedingungen
bewähren, wie z.B. bei einem Autounfall
oder im Winter bei Minusgraden, werden
sie in professionellen Testständen permanent be- und entladen, enormer Hitze und
Kälte ausgesetzt und mit mechanischen
Kräften belastet.
Langlebige und kostengünstige Akkumulatoren sind auch für die netzunabhängige Stromversorgung von Gebäuden,
Mobilfunkstationen usw. eine zukunftsfähige Alternative. Im Falle eines Stromausfalls sorgen Energiespeicher auch im
Notfall für einen zuverlässigen Betrieb. Hier
bieten die neuen Lithium-Ionen-Batterien
interessante Möglichkeiten. Und um auch
zukünftig Lösungen zu entwickeln, geht
das ZSW alle Forschungsthemen von Materialien bis hin zur Produktionstechnolo<<
gie für große Zellen an.
www.zsw-bw.de
REM-Funktionsmaterial
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Infoplaner 02/2010
CADFEM
Partnerschaft ZSW und CADFEM
Im Bereich der innovativen Batterietechnologien gehört das ZSW seit Jahren zu
den führenden Entwicklungszentren. Fundiertes Know-how des eigenen Expertenteams, enge Kontakte in die universitäre und industrielle Forschung sowie eine
einzigartige Anlageninfrastruktur für experimentelle Untersuchungen versetzen
das ZSW in die Lage, zielgerichtet an effizienten und marktfähigen Lösungen zu
arbeiten. Ab dem Jahr 2011 werden diese zudem in einem neuen hochmodernen
Gebäudekomplex in Ulm konzentriert.
Auch die numerische Simulation hat am ZSW seit vielen Jahren ihren festen Platz.
Um deren Potential noch intensiver als bisher zu nutzen, haben das ZSW und die
CADFEM GmbH im Sommer 2010 eine Kooperation im Bereich Batteriesimulation
vereinbart. Neben der Zusammenarbeit in der Forschung, bei der beide Partner ihre
Kernkompetenzen nutzen, werden das ZSW und CADFEM ihr Wissen in Form von
Projekten und Seminaren auch Dritten zur Verfügung stellen.
www.zsw-bw.de
| Zusatzinformation |
Infoplaner 02/2010
7
CADFEM News
2010 – das Jahr der Jubiläen
Die CADFEM GmbH feiert in diesem Jahr das erste Vierteljahrhundert ihres Bestehens! Was 1985 von zwei Ingenieuren in der
Umgebung von München begonnen wurde, hat sich 25 Jahre
später zu einem Unternehmen entwickelt, das selbst 130 Mitarbeiter beschäftigt und darüber hinaus aktiv an der Gründung und
dem Aufbau von weiteren Firmen im In- und Ausland beteiligt
war. Einige davon können ihrerseits ebenfalls in diesem Jahr auf
runde Geburtstage verweisen:
25 Jahre CADFEM
• Die CADFEM (Suisse) AG wird 15,
• die inuTech GmbH wird 10 und
• die CADFEM (Austria) GmbH wird bereits 5 Jahre jung!
Doch damit nicht genug: Auch unser wichtigster Partner ANSYS,
begeht ein besonderes Jubiläum: 40 Jahre ANSYS! 1970 gründete Dr. John Swanson seine Firma, die sich über die Jahrzehnte
durch eigenes Wachstum und strategische Zukäufe zum größten
unabhängigen Anbieter von Technologie für die numerische Simulation entwickelt hat.
1985: Home Office Günter Müller
Die CADFEM GmbH ist als „ANSYS Competence Center FEM“ seit
ihrer Gründung der Partner von ANSYS im deutschsprachigen
Raum und hat ANSYS auch schon vor dieser Zeit in Person des
CADFEM Gründer Dr.-Ing. Günter Müller in Europa vertreten.
Zu den Kunden von ANSYS gehört das weltweite „Who is Who“
der produzierenden Industrie aus praktisch allen Branchen genauso
wie der Mittelstand, kleine Firmen und Ingenieurbüros. Anlässlich
des Jubiläums blickt das Unternehmen ANSYS, Inc. auf seiner
Homepage auf vier erfolgreiche Jahrzehnte zurück.
Information: www.ansys.com/anniversary
Abgerundet wird das Jahr der Jubiläen durch den 90. Geburtstag
von Professor Ray W. Clough, der 1960 – also vor genau 50 Jahren – den Begriff „Finite Element Method“ schuf.
Feiern Sie mit uns!
Auf dem diesjährigen Users´ Meeting wollen wir die zahlreichen
Jubiläen gemeinsam mit Ihnen feiern. Wir hoffen, Sie dazu vom
3. – 5. November im Eurogress Aachen begrüßen zu dürfen!
www.usersmeeting.com
2010: CADFEM Zentrale Grafing b. München
CADFEM News
40 Jahre ANSYS
1970: Home Office John Swanson
2010: Headquarters ANSYS, Inc., Canonsburg
CADFEM News
Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt
■ ANSYS für Konstrukteure: Kostenfreie Webinare
■ Wichtige Herbstmessen: CADFEM „on Tour“
COMPOSITES EUROPE
5. Europäische Fachmesse & Forum für Verbundwerkstoffe,
Technologie und Anwendungen
14. – 16. September 2010 in Essen
CADFEM in Halle 5 an Stand C78
www.composites-europe.com
Husum WindEnergy
The Leading Wind Energy Trade Fair
21. – 25. September 2010 in Husum
CADFEM an Stand 2F18 (ANSYS Stand)
www.husumwindenergy.com
AMB 2010
Internationale Ausstellung für Metallbearbeitung
28. September – 2. Oktober 2010 in Stuttgart
CADFEM in Halle 4 an Stand B14 (Bei Fa. Cinteg)
www.amb-messe.de
Internationale Zuliefererbörse
Connecting Car Competence
6. – 8. Oktober 2010 in Wolfsburg
CADFEM in Halle 3 an Stand 315
www.izb-online.com
An CAD-Anwender, die sich für die konstruktionsbegleitende FEModer CFD-Simulation mit ANSYS Produkten interessieren, richten
sich die Webinare, die CADFEM und ANSYS Germany im September anbieten. Kompakt, kostenlos und interaktiv informieren
Simulationsexperten, die selbst einen Konstruktionshintergrund
haben, über die Möglichkeiten, die die ANSYS Produkte ganz speziell für die konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Simulation bieten:
Struktur: Konstruktionsbegleitende FEM-Simulation
Veranstalter: CADFEM GmbH
Termine: 22. und 29. September 2010
Details, Anmeldung: www.cadfem.de/fem-cad
Strömung: Konstruktionsbegleitende CFD-Simulation
Veranstalter: ANSYS Germany GmbH
Termine: 21. und 23. September 2010
Details, Anmeldung: www.ansys-germany.com
■ Was ist WOST?
Das Kürzel WOST steht für „Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage“, die Anwendertagung unseres Partners Dynardo
GmbH. In diesem Jahr finden die WOST bereits zum 7. Mal statt.
Mit wachsendem Erfolg lädt Dynardo Anwender und an Optimierungsthemen Interessierte nach Weimar ein, die sich dort
anhand von Fachvorträgen, Seminaren und informellen Gesprächen
unter Gleichgesinnten fundiert informieren und weiterbilden
können.
Information: www.dynardo.de/wost
■ CADFEM ist Mitglied im OWL ViProSim
Euroblech
21. Internationale Technologiemesse für Blechbearbeitung
26. – 30. Oktober 2010 in Hannover
CADFEM in Halle 14 an Stand F66
www.euroblech.com
Das „OWL Kompetenzzentrum für Virtual Prototyping & Simulation e.V.“, kurz: OWL ViProSim, wurde am 8. September 2006 im
Heinz Nixdorf Institut in Paderborn von Unternehmen und Hochschulen der Region OstWestfalen-Lippe auf Initiative des OWL Maschinenbau e.V. gegründet.
electronica
Elektronikmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen
9. – 12. November 2010 in München
CADFEM in Halle A1 an Stand 346 (ANSYS Stand)
www.electronica.de
Aufgabe von OWL ViProSim ist es, vor allem mittelständische Unternehmen der Region OWL bei dem Erwerb von Grundlagen- und
Anwendungswissen über Virtual Prototyping & Simulation (VPS)
im Entwicklungs- und Produktionsplanungsprozess zu unterstützen. Dadurch werden das Innovationstempo und die Innovationskraft auch in Zukunft auf Spitzenniveau gehalten. Die Wettbewerbsfähigkeit der Mitgliedsunternehmen wird gesichert.
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Infoplaner 02/2010
CADFEM News
Das bereits in den Hochschulen und bei größeren Unternehmen
vorhandene Erfahrungswissen über Virtual Prototyping & Simulation wird im Rahmen des Projektes aufbereitet und transferiert.
Eine Schlüsselstellung nehmen dabei die Mitarbeiter der Unternehmen ein: Sie erlernen in Seminaren und Workshops, diese
Methodensammlung in ihrem Arbeitsumfeld anzuwenden und
erwerben damit wichtige Schlüsselqualifikationen, um so ihre
zukünftigen Chancen auf dem Arbeitsmarkt zu erhöhen. Die
CADFEM GmbH hat sich der Initiative angeschlossen um die Mitglieder des Vereins fundiert und praxisnah zum Thema FEMSimulation zu informieren.
Information: www.owl-viprosim.de
■ 15. CADFEM (Suisse) Users’ Meeting in Zürich
!
♥
25
✌
Wow.
Herzlichen Glüchwunsch zum 25-jährigen Firmenjubiläum!
christian loose · grafik design · tel. +49 (0) 80 92-70 82 93
Das 15. CADFEM (Suisse) Users’ Meeting fand mit über 100 Teilnehmern Mitte Juni 2010 in Zürich statt. Das Vortragsprogramm
lieferte eine gewohnt große Vielfalt und wurde in drei parallelen
Sessions durchgeführt. Schwerpunktthemen waren Biomechanik,
Composites und Strömungssimulation. Als speziellen Gast konnten Veranstalter und Teilnehmer einen produktverantwortlichen
Manager der Ansoft-Linie begrüßen. Solche direkten Gesprächsgelegenheiten wurden genutzt und sind für Anwender wichtig,
sofern sie Einfluss nehmen wollen auf zukünftige Entwicklungen.
In den letzten 15 Jahren hat sich das ANSYS Conference & CADFEM
(Suisse) Users Meeting etabliert und ist zum Treffpunkt der Simulanten aus der Schweiz geworden. Es wird in Kooperation mit
ANSYS Germany durchgeführt. Die nächste Auflage findet vom
30. Juni – 1. Juli 2011 in Zürich statt – bitte vormerken!
www.usersmeeting.ch
■ Informationstage
ANSYS Strukturmechanik im Herbst
Von September bis November richtet CADFEM wieder in vielen
Städten die kostenfreien Informationstage zu ANSYS in der Strukturmechanik aus. Kompakt an einem Tag erhalten die Teilnehmer
einen Überblick über das Spektrum von ANSYS in linearen und
nichtlinearen, statischen und dynamischen sowie impliziten und
expliziten Strukturmechanik
Information: www.cadfem.de/strukturmechanik
Forming Technologies GmbH (D) und ihre Muttergesellschaft
Forming Technologies Inc. gratulieren ihrem langjährigen
Partner CADFEM zum 25-jährigen Jubiläum und freuen sich
auf eine weiterhin erfolgreiche Zusammenarbeit im Themenbereich Machbarkeitsanalyse und Kostenoptimierung in der
Umformtechnik.
Forming Technologies GmbH
Zeilring 8 , 65817 Eppstein, Tel: 0049-(0)160-90 91 08 49
www.forming.com
CADFEM News
■ Ehemaliger Gewinner des CADFEM Schülerpreises
erfolgreich in der Umwelttechnik
Als Schüler beschäftigte sich Christoph
Gebald einst in einer
Studienarbeit mit der
FEM und setzte sich
daher
mit
der
CADFEM GmbH in
Verbindung. Es entstand ein regelmäßiger Kontakt und eine exzellente Studienarbeit zur Geschichte der FEM, die von CADFEM auf dem
Users’ Meeting 2002 in Friedrichshafen mit dem Schülerpreis für
herausragende Arbeiten belohnt wurde.
Mittlerweile ist Christoph Gebald Doktorand an der ETH Zürich
und beschäftigt sich mit seiner Spin-Off Firma Climeworks mit der
Lösung einer der drängendsten Fragen der Menschheit: Der
Reduktion von CO2. Gemeinsam mit seinem Kollegen Jan
Wurzbacher hat er ein vielversprechendes Verfahren entwickelt,
um Kohlendioxid umweltfreundlich und emissionsfrei aus der Luft
zu filtern.
Information: www.ethlife.ethz.ch
■ 5. CADFEM (Austria) Users’ Meeting
im Schloss Schönbrunn in Wien
Über 100 Kunden
haben ausgiebig mit
den mittlerweile 10
CADFEM-Mitarbeitern vom 22. – 23.
April 2010 im kaiserlichen Ambiente des
Schloss Schönbrunn
Tagungszentrums sowie im modernen CADFEM-Büro im Euro Plaza Wien getagt. Auf
diesem Wege dankt CADFEM (Austria) den Kunden und freut sich
auf die nächsten 5 Anwendertagungen!
www.usersmeeting.at
■ Strahlschmelzverfahren:
Forschungsprojekt SIMUSINT
Unter der Federführung des Instituts für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München und gemeinsam mit der BMW Group, FESTO und den Firmen EOS, MTT und
ConceptLaser war CADFEM Partner beim Forschungsprojekt
SIMUSINT, das am 9. Juli 2010 vorgestellt wurde. Das modulare
Simulationssystem SIMUSINT berechnet mit Hilfe der FEM fertigungsbedingte Temperaturfelder, Bauteilverformungen und
-eigenspannungen für verschiedene Strahlschmelzverfahren.
12
Infoplaner 02/2010
SIMUSINT basiert auf ANSYS Multiphysics und kann für das Selective Laser Melting, das Direct Metal Laser Sintering und das
LaserCusing eingesetzt werden. CADFEM hat ANSYS und das
Simulations-Know-how in das Projekt eingebracht.
Eine automatisierte Schnittstelle zwischen den verschiedenen Fertigungsanlagen und der Simulation garantiert realitätsnahe Ergebnisse. Dadurch können bauteilspezifische Prozessparameter
simulationsgestützt identifiziert werden, wodurch ein wertvoller
Beitrag zur first-time-right-Fertigung ohne Ausschuss resultiert.
Weitere Information: www.simusint.de
■ ANSYS Seminar
„Simulationswerkzeuge für die Solar-Industrie“
ANSYS Germany zeigt am 16. September 2010 in Leipzig im Rahmen einer Seminarveranstaltung, wie die Simulationswerkzeuge
aus der ANSYS Produktfamilie zielgerichtet für die verschiedenen
Aufgabenstellungen in der Solar-Industrie eingesetzt werden. Referenten sind Mitarbeiter einschlägiger Fraunhofer-Institute sowie
von ANSYS Germany und CADFEM. Die Teilnahme ist kostenfrei.
Information: www.ansys-germany.com
■ Neues Release von FTI FormingSuite
Mit dem neuen Release von FormingSuite 8.2 wird die bisherige
Modulstruktur des FTI-Angebots überarbeitet. Erstmals werden
neue CostOptimizer und MultiStage Bundle-Angebote allen Anwendern deutlich erweiterte Funktionalität zu signifikant günstigeren Konditionen zur Verfügung stellen.
Der neue CostOptimizer beinhaltet z.B. die Möglichkeit der Materialkostenoptimierung von Folgeverbundbauteilen. Hiermit sind die
Planer frühzeitig in der Lage, die optimale Methode für die Fertigung der Blechbauteile zu analysieren und die Materialkosten deutlich zu senken. Diese Funktionalität steht nun auch für existierende
Fastblank- und Blanknest-Kunden als attraktives Upgrade bereit.
Multistage bietet dem Methodenplaner ein starkes Tool zur detaillierten Analyse der unterschiedlichen Fertigungsstrategien. Aufgrund der kurzen Rechenzeiten kann der Planer schnell Strategien
analysieren und Entscheidungen treffen. Auf bestehende Kunden
mit Fastform/Fastform Advanced wartet ein interessantes Upgradeangebot.
Aber auch für neue Anwender bieten die Bundles ein völlig neues
Preis-Leistungsverhältnis. Gerne stehen wir Ihnen für weitere Informationen in einem persönlichem Beratungsgespräch zur Verfügung.
Ansprechpartner:
Tobias Menke,
CADFEM GmbH Hannover
Tel. +49 (0) 511-39 06 03-20
CADFEM News
■ Schweiz: 3-tägiger
Werkzeugmaschinen-Workshop
Die CADFEM (Suisse) AG hat einen 3-tägigen Workshop speziell
für Anwender aus der Werkzeugmaschinen-Branche entwickelt.
Er vermittelt anhand von 6 Praxis-Beispielen wie typische Aufgabenstellungen wie die Modellierung von Lagern korrekt abgebildet wird und wie Steifigkeiten, die Festigkeit, Temperatureinflüsse,
harmonische Anregungen oder Eigenfrequenzen berechnet werden.
Der Workshop richtet sich an Konstrukteure und Berechner im
Umfeld von Werkzeugmaschinen. Sie erhalten eine „Rezeptbuchanleitung“ wie State-of-the-Art FEM-Analysen für Werkzeugmaschinen durchgeführt werden.
Termine:
8. – 10. September 2010 in Lausanne (CH)
27. – 29. September 2010 in Aadorf (CH)
www.cadfem.ch
■ CADFEM US, Inc. gegründet
Seit Juli 2010 gibt es CADFEM auch in den USA. In Greenville,
South Carolina, direkt im CU-ICAR (Clemson University International Center for Automotive Research), dem High-Tech-Zentrum
der renommierten Clemson University. Das CU-ICAR verfügt über
eine hervorragende Forschungs- und Entwicklungsinfrastruktur
und hat sich zu einem bevorzugten R&D-Standort vieler Großkonzerne aus dem Automobilsektor entwickelt.
Das CADFEM Büro wird geleitet von Steve Junor, der zuvor bei
CADFEM in Deutschland gearbeitet und Anfang des Jahres erfolgreich den berufsbegleitenden Masterstudiengang „Applied Computational Mechanics“ abgeschlossen hat.
CADFEM US, Inc.
CU-ICAR Partnership Office
5, Research Drive
Greenville, SC 29607
USA
Tel. 001-864 -283-7106
Informationen zum CU-ICAR: www.cuicar.com
Ihr international akkreditierter Zertfizierer für die
Qualitätsmanagementsysteme nach ISO 9001:2008
und Umweltmanagementsysteme nach ISO 14001:2005
Zertifizierungsgesellschaft für
Managementsysteme mbH
Prinzenstrasse 10A
30159 Hannover
Kontakt:
Tel. +49 (0) 511-169 57 55
Email [email protected]
Themenschwerpunkt: Medical
FEM-Simulation im Dienste der Gesundheit
Die Ausgaben für das Gesundheitswesen liegen in Deutschland bei über 10% des gesamten Bruttoinlandproduktes (BIP). Damit nimmt die Gesundheitsbranche die Spitzenposition ein und ist eine der wenigen
Branchen, die unabhängig von allgemeinen ökonomischen Krisen ein kontinuierliches Wachstum vorweisen
können. Ein Teil dieser Ausgaben bzw. Umsätze entfallen auf die Medizintechnik, die für Deutschland einen
attraktiven Zukunftsmarkt darstellt. Der Umsatz lag im Jahr 2009 bei ca. 17 Mrd. EUR und ist seit 1995 mit
einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 7% erheblich stärker gewachsen als die Industrie insgesamt (ca. 4% pro Jahr)*.
Außerdem kann die Medizintechnik in
Deutschland eine besonders hohe Exportquote von 63% vorweisen, wobei die deutschen Hersteller von Medizintechnik einen
Weltmarktanteil in der Größenordnung von
10% erreichen. Sie profitieren insbesondere von ihren innovativen und wettbewerbsfähigen Produkten. Damit die Firmen
ihren Vorsprung aber halten können, sind
sie gezwungen, stetig neue Produkte zu
entwickeln und die bestehenden weiter zu
optimieren. Gleichzeitig muss der gesamte Produktentstehungsprozess effizienter
gestaltet werden und trotzdem die hohe
Qualität gesichert sein.
Simulation in der Medizintechnik
Mehr Effizienz bei mindestens gleichbleibend hoher Qualität lässt sich unter anderem durch eine umfassende Einbindung
der FEM-Simulation in den Produktentwicklungsprozess erreichen. Außerdem
kann dies dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens grundlegend zu verbessern. Erstaunlicherweise
ist in der Medizintechnik im Vergleich zu
den Unternehmen aus dem klassischen Ingenieurwesen wie dem Maschinenbau oder
der Automobilindustrie die Durchdringung
der FEM-Simulation noch gering. Ein Grund
kann darin liegen, dass der Markt von kleineren Unternehmen dominiert wird. In
Deutschland haben 90% der 1.250 Unternehmen aus der Medizintechnik weniger
als 100 Mitarbeiter und nur 2% mehr als
500 Mitarbeiter. In kleineren Unternehmen
herrscht häufig noch die Meinung, dass
zur Nutzung der FEM-Simulation hohe Investitionen notwendig sind, dass sich der
Einsatz nur für große Unternehmen lohnt
und die Systeme nur von Experten bedient
werden können. Dass sich die Investitionen schnell amortisieren und mit guter
Schulung und bedarfsgerechter Anwen-
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Infoplaner 02/2010
derunterstützung seitens des Software-Anbieters auch „normale“ Konstrukteure von
den FEM-Anwendungen ohne weiteres
profitieren können, konnte schon in vielen
Fällen bewiesen werden.
Die Fragestellungen, die im medizinischen
Bereich mit Hilfe von FEM-Lösungen effizienter beantwortet werden können, sind
sehr vielfältig. Einige konkrete Anwendungsbeispiele finden Sie auf den folgenden Seiten. Simuliert wird unter anderem
das Verhalten von diversen medizinischen Geräten bei Siemens Healthcare. Ein weiterer anschaulicher Anwendungsfall sind Einzelkapsel-Inhalatoren von Boehringer Ingelheim, mit
denen Medikamente in Pulverform bereitgestellt und mit einem Atemzug in
die Lunge des Patienten gelangen sollen. Hier hilft den Ingenieuren die
Strömungssimulation, um eine optimierte Kapselentleerung
und Gestaltung der
Luftströmungen realisieren zu können. Aber
auch bei
der Bildgebung mittels Computertomographie (CT)
werden Simulationslösungen
eingesetzt, denn bei der CT-Röntgenröhre wird lediglich etwa 1%
der Energie in Röntgenstrahlen umgesetzt, der Rest muss als Wärme
abgeleitet werden. Aufgrund der
hohen Temperaturen und Umdrehungsgeschwindigkeiten unterliegt
die Drehanode höchsten thermomechanischen Wechselbelastungen
– die Optimierung des Designs ist eine
große Herausforderung.
Simulation in der Medizin
Andere Fragestellungen ergeben sich im
Bereich der Implantate, also Produkten, die
mit dem menschlichen Körper interagieren. Zu Implantaten zählen zum Beispiel
künstliche Hüftgelenke oder Platten (Osteosynthesen), die eingesetzt werden um gebrochene Knochen zu verbinden. Viele kennen auch dentale Zahnimplantate, die
als Zahnersatz genutzt werden. Hier sind
als Kernmerkmale maximale Sicherheit,
eine perfekte Ästhetik und die einfache
Handhabung zu nennen. All diese Produkte
haben gemeinsam, dass hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit gestellt werden. Ein Versagen eines Implantates kann
für den betroffenen Patienten unangenehm
und unter Umständen sehr schmerzhaft
sein. Um die Zuverlässigkeit der Implantate zu gewährleisten müssen sie nach bestimmten Normen getestet werden. Solche Tests können teilweise Wochen bzw.
Monate dauern. Versagt ein Bauteil erst
am Ende einer Testphase, ist jedoch schon
viel wertvolle Zeit vergangen. Das Beispiel
der Firma Dentaurum zeigt, dass eine
FEM-Analyse, die den in den Normen definierten Test simuliert, bereits in einer
frühen Entwicklungsphase wertvolle Informationen liefern
kann, inwieweit das Implantat die Testanforderungen erfüllt.
Außerdem sind die im Test definierten Normen sehr allgemein gehalten und geben
nicht unbedingt im vollen Umfang die
tatsächliche Belastung wieder. Um der Realität etwas näher zu kommen, können alternativ die während einer menschlichen
Bewegung auftretenden Kräfte mit Hilfe
von Computermodellen bestimmt werden.
Für solche Anwendungsfälle hat die Firma
AnyBody Tech die Software AnyBody Modelling System entwickelt. Mit AnyBody lassen sich bei einer beliebigen Bewegung,
beispielsweise beim Treppensteigen oder
beim Ein-und Aussteigen aus einem Fahrzeug, die wirkenden Muskel- und Gelenkkräfte bestimmen. Diese Kräfte können
dann als Eingangsgröße für eine FEM-Simulation dienen. Auf diese Weise ist es
denkbar, dass Implantathersteller ihre Produkte, nicht nur bezüglich der geforderten
Norm untersuchen, sondern sie auch auf
Belastungsszenarien aus dem täglichen Alltag hin analysieren.
Mittelfristig wäre auch
denkbar, dass die oben
erwähnten Implantate
patienten-individuell
mit FEM-Anwendungen simuliert werden,
um die mechanische
Stabilität zu sichern.
Berücksichtigt werden
könnte dabei der tragende Knochen des Patienten und die Einbausituation des Implantates. Mit solchen patienten-individuellen Simulationen ließen sich
dann Operationen im
Vorfeld planen und hinsichtlich biomechanisch
relevanter Größen optimieren. Das wäre dann
der Schritt von der
Simulation in der Medizintechnik hin zur Simulation in der Medizin, also
am Patienten.
Der Artikel ab Seite 24 geht näher auf die
entsprechenden Fragestellungen ein. Zusätzlich zur fachlichen Expertise sind für
patienten-individuelle FEM-Simulation spezielle Softwarelösungen erforderlich, die
den gesamten Workflow von der Tomografie bis zur Nutzung der FEM-Ergebnisse unterstützen (siehe Seite 26).
Gemeinsam mit der Forschungsgruppe
CAPS unter der Leitung von PD Dr. med.
Laszlo Kovacs vom Klinikum rechts der Isar
identifiziert CADFEM solche Fragestellungen und entwickelt gemeinsam mit den
Ärzten entsprechende Lösungsansätze. Die
patienten-individuelle FEM-Simulation kann
somit zukünftig dazu beitragen, die Kosten im Gesundheitssystem zu reduzieren.
<<
✒|
Autor
Autor und Ansprechpartner
Christoph Müller, CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43
i
| Information
* Quellen: Statistisches Bundesamt,
SPECTARIS
Computer Aided Medical Engineering
(CAME)
Die Zeitschrift CAME aus dem expert-verlag
zeigt anhand aktueller technischer Fachbeiträge und Aufsätze, wie im Ingenieurwesen etablierte Simulationsmethoden in
der Medizin eingesetzt werden. Herausgeber sind Christoph Müller, CADFEM GmbH,
PD Dr. med Laszlo Kovacs, Klinikum rechts
der Isar, München und Nabil Ben Salah,
Für solche patienten-individuellen Anwendungen in der FEM-Simulation sind zahlreiche weitere Einsatzgebiete vorhanden.
Materialise GmbH.
Ein Freiexemplar können Sie per E-Mail
anfordern: [email protected]
Infoplaner 02/2010
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Designanalyse moderner Hochleistungsröntgenröhren mit ANSYS Workbench
Die numerische Simulation hat sich in den letzten Jahren als ein wesentliches Tool bei der Entwicklung medizintechnischer Produkte etabliert.
Neben der klassischen Analyse durch den Berechnungsingenieur
spielt die softwareunterstützte Parametervariation eine immer
wichtigere Rolle.
Als Dienstleister für Simulationsrechnungen
innerhalb des Siemens Healthcare Sektors
ist unsere Arbeitsgruppe für die Durchführung der Berechnungsaufgaben aus der
Entwicklung und Produktion verantwortlich. Eine breite Ausstattung mit kommerziellen Softwaretools ermöglicht Anwendungen in der Struktur- und Strömungsmechanik, thermische Analysen, elektromagnetische Simulationen sowie Strahlendosis Berechnungen. Generell können in
den letzten Jahren zwei wesentliche Trends
beobachtet werden: Zum einen ermöglicht
die Ausstattung mit leistungsfähigen 64bit
Rechensystemen die Verwendung immer
detailliertere Modelle, zum anderen wird
die Variation der eingehenden Modellparameter im Sinne einer Design Exploration immer wichtiger, was im Folgenden an
einem Beispiel aus der Röntgenstrahlerentwicklung illustriert werden soll.
Bildgebung mittels Röntgenstrahlen
Röntgenröhren als Strahlenquelle im Röntgengerät haben auf die Bildqualität des
Systems einen wesentlichen Einfluss. In der
modernen Radiologie werden zwei Typen
von Röntgenaufnahmesystemen eingesetzt.
Fest- oder Stehanoden bei niedrigen Leistungen, z.B. für die endorale Aufnahmetechnik
(Dental) und Drehanoden für Hochleistungsstrahler bei Kardangiographie- und Computertomographie-Systemen (CT) (Bild 1). Die
grundsätzlichen Elemente einer Röntgenröhre sind die Vakuumhülle, der Kathodenaufbau, die Anode einschließlich der Brennbahn und das Kühlsystem (Bild 2). Die im
Kathodenaufbau freigesetzten und fokussierten Elektronen werden durch die angelegte Hochspannung beschleunigt und im
Wolframtarget der Anode abrupt abgebremst. Bei diesem Vorgang wird nur ein geringer Bruchteil der Elektronenenergie <1%
in Röntgenstrahlung umgesetzt, der über-
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Infoplaner 02/2010
Bild 1:Medizinische Bildgebung mittels Computertomographie – Virtual Reality Darstellung
des Typs Siemens SOMATOM Definition Flash.
wiegende Anteil muss als Verlustwärme abgeführt werden. Insbesondere bei CT-Anwendungen müssen große Energiemengen
während den Patientenuntersuchungen in
der Anode gespeichert und durch ein Kühlsystem effizient abgeführt werden. Die Aufnahmezeiten variieren stark mit der jeweiligen Anwendung und können z.B. bei der
Einzelschicht-Spiral-CT, mit entsprechend angepassten Betriebsparametern, bis zu einer
Minute betragen [1-3].
Komplexe physikalische Modelle
Eine Vielzahl physikalischer Effekte ist in den
implementieren Strahlermodellen integriert,
angefangen vom nichtlinearen Materialverhalten durch die hohen
Belastungen, Wärmestrahlung aufgrund der
hohen Temperaturen
und Strömungsmechanik beim Wärmetauscher bis hin zu thermoelektrisch-mechanischen Simulation der
Kathode des Strahlers
(Bild 2).
Hohe thermische und
mechanische Belastungen
Das thermomechanisch am höchsten beanspruchte Element einer Röntgenröhre ist
der Anodenteller. Bei Verbundanoden besteht der Grundkörper aus einer Molybdänlegierung, als zusätzlicher Wärmespeicher
dient ein angebrachter Graphit Körper. Die
Röntgenstrahlung wird in einer dünnen
Schicht aus einer Wolframlegierung, der
Bild 2: Temperaturverteilung für ein qualitatives Strahlermodell mit den Komponenten
Kathode (A), Anode (B) und Lager (C).
Bild 3: Erwärmung der rotierenden Anode im klinischen Einsatz.
Bild 4: Darstellung von Parameterabhängigkeiten mittels Antwortflächen im DesignXplorer.
Brennbahn der Anode, erzeugt. Die Betriebszeit einer Röntgenröhre wird wesentlich durch die thermische Erwärmung
der Anode bestimmt. Der kontinuierlichen
Erwärmung der rotierenden Anode während einer klinischen Anwendung ist der
zeitlich kurze Temperatursprung am Ort
der Röntgenstrahlentstehung, dem Brennfleck, überlagert (Bild 3a). Die Materialeigenschaften der Brennbahn definieren
die maximale Einsatztemperatur. Mechanische Belastungen entstehen aufgrund
der thermischen Ausdehnung der Materialien und den hohen Fliehkräfte während
der Rotation der Anode.
nungsverteilungen. Typische Fragestellungen bei der Analyse verschiedener Designvarianten sind:
• Wie groß ist die maximale Belastungszeit bei einer gegebenen Wärmestromdichte?
• Was ist die geringst mögliche Anodenmasse bei gleichbleibendem thermischen
Verhalten?
• Führt eine Erhöhung der Kühleffizienz
zu einer Reduktion der Brennbahntemperatur?
• Was ist die maximal mögliche Rotationsfrequenz der Anode?
Parametrisierte Rechenmodelle
Moderne Röntgenröhren müssen für unterschiedlichste klinische Belastungsszenarien
konzipiert werden, mit kontinuierlich steigenden Anforderungen an die Flexibilität
des Systems. Prinizipiell können Kurzzeitbelastungen mit höchsten Wärmeströmen
und Langzeitbelastungen mit geringeren
Wärmeeinträgen unterschieden werden,
wodurch unterschiedliche Anforderungen
an das Anodenkonzept resultieren (Bild 3b).
Verschiedene Design Ziele können allerdings gegenläufig sein, z.B. kann generell
durch eine Erhöhung der Anodenmasse die
Wärmespeicherfähigkeit der Anode vergrößert werden, gleichzeit können aber die
auftretenden Spannungen zunehmen und
die Belastung des Lagers steigt aufgrund
der erhöhten Masse an. Zur Unterstützung
unserer aktuellen Entwicklungsprojekte haben wir in der ANSYS Workbench eine voll
parametrisierte Strahlergeometrie implementiert. Die Umsetzung in der Workbench
erlaubt eine einfache Variation aller relevanten Modellparameter zum Anodenaufbau, den Prozessparametern und den
Kühlungsbedingungen. Wesentliche Rechenergebnisse sind die maximal mögliche Belastungszeit, sowie Temperatur- und Span-
Neben den Standardfunktionalitäten der
Workbench sind einige spezielle Erweiterungen mittels Commando Objekten integriert. Z.B. ist zur Unterstützung der
Datenanalyse ein Commando Objekt zum
automatisierten speichern der zuvor mit
dem Befehl \plnsol erzeugten tif-Grafiken
implementiert. Die zu einer Design Variante gehörigen Screenshots werden bei
der Evaluierung der Parametersätze (Design
Of Experiments) in einem Verzeichnis abgelegt, so dass die Simulationsergebnisse
den verschiedenen Design Points leicht zugeordnet und damit auch visuell ausgewertet werden können. Durch die Parametervariation kann der Einfluss unsicherer Materialparameter und Randbedingungen leicht quantifiziert werden, Minimal- und Maximalwerte ermöglichen einen schnellen Überblick über die mit einem Design prinzipiell erreichbaren Werte, z.B. zur maximalen Belastungszeit. Parameterabhängigkeiten können mit den
Analysetools des DesignXplorers mittels
Antwortflächen visualisiert werden, z.B.
die Erwärmung der Anode für ein bestimmtes Anwendungsszenario in Abhängigkeit zweier wesentlicher Designparameter (Bild 4).
Fazit
Es hat sich gezeigt, dass aufgrund der Komplexität moderner Röntgensysteme die
benötigte Entwicklungszeit durch die Anwendung der Optimierungstools des
ANSYS DesignXplorers reduziert werden
kann. Mit Hilfe der deterministischen Analyse wurde eine vollständig parametrierte
Anodengeometrie hinsichtlich des thermomechanischen Verhaltens für eine Vielzahl
von Belastungsszenarien analysiert. Kritische Designparameter können identifiziert
und das ingenieursmäßige Verständnis des
Produkts erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Stabilität bei der Evaluierung
von Designvarianten und des Benutzerkomforts bei der Auswertung dieser Ergebnisse ist unserer Meinung nach entscheidend dafür, dass sich die parametrisierte Modelloptimierung im Berechnungsalltag auf breiter Basis durchsetzen
<<
wird.
✒|
Autoren
Dr. Marc Hainke, Siemens AG,
Healthcare Sektor
Thomas, Ohrndorf, Siemens AG,
Healthcare Sektor
❧ | Literatur
[1] Morneburg, H.: Bildgebende Systeme
für die medizinische Diagnostik, Publicis,
Erlangen, 1995.
[2] Hertrich, P.: Röntgenaufnahmetechnik –
Grundlagen und Anwendungen, Publicis,
Erlangen, 2004.
[3] Kalender, W.A.: Computertomographie,
Publicis, Erlangen, 2006.
Infoplaner 02/2010
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Innovative Zahnimplantate, mit ANSYS optimiert und dauerfest ausgelegt
2 Millionen Mal kraftvoll zubeißen
tioLogic© ist ein innovatives Implantatsystem der Firma Dentaurum, in dem langjährige klinische und prothetische Erfahrungen und zukunftsweisende implantologische Aspekte umgesetzt sind. Das Implantatdesign
hat ein mehrstufiges Entwicklungskonzept durchlaufen, bei dem FEM-Berechnungen mit dem Programm
ANSYS wichtige Informationen geliefert haben, um den Dauerfestigkeitsnachweis nach DIN EN ISO 14801 auf
Anhieb zu bestehen.
werden je nach Indikation Aufbauten
fixiert und mit einer prothetischen Suprakonstruktion versorgt (Bild 1). Die Besonderheiten dieses neuen Systems berücksichtigen neueste implantologische und
ästhetische Erkenntnisse. So wurde der
Übergang vom Implantat zum prothetischen Aufbau nach innen verlagert.
Das Implantat selbst ist ein konisch-zylindrisches Schraubenimplantat mit einer speziellen Innenverschlüsselung zur rotationsstabilen Aufnahme der prothetischen Aufbauten über eine Schraube. Es weist zwei übereinander gelagerte Gewinde auf, ein Grobund ein Feingewinde. Beide Gewinde wurden so konzipiert, dass
Spannungsspitzen sowie lokale
gestaltungsbedingte Überbelastungen im Knochenlager vermieden werden.
Die Dentaurum-Gruppe entwickelt, produziert und vertreibt weltweit Produkte
für Zahnärzte, Kieferorthopäden und Zahntechniker. Als inhabergeführtes Familienunternehmen mit Hauptsitz in Ispringen
bei Pforzheim ist Dentaurum nicht nur
eines der führenden, sondern mit seiner
fast 125-jährigen Firmengeschichte auch
das älteste Dentalunternehmen der Welt.
Damit sich die Kunden stets auf
Hochwertiges verlassen können,
investiert Dentaurum sehr viel in
Produktion und Qualitätssicherung. Unter anderem gehört
Dentaurum zu den ersten Firmen der Dentalbranche, die
nach den Bestimmungen der
Medizinprodukterichtlinie und
des EG-Öko-Audits zertifiziert
wurden.
Das zahntechnische Programm
von Dentaurum umfasst Verbrauchsmaterialien, High-Tech
Geräte, Dentallegierungen und
Hochleistungskeramiken. In der
Kieferorthopädie deckt das Produktangebot den gesamten Bereich der
festsitzenden und herausnehmbaren Technik ab. In der Implantologie überzeugt das
innovative tioLogic© Implantatsystem gleichermaßen durch Vielfältigkeit und Überschaubarkeit. Kernmerkmale sind seine
maximale Sicherheit, eine perfekte Ästhetik und das einfache Handling. Dieser Beitrag beschreibt, wie FEM-Berechnungen
mit ANSYS zur Qualitätssicherung der tioLogic©-Produktfamilie beigetragen haben.
Das tioLogic© Implantatsystem
Die Implantate des tioLogic© Implantatsystems sind zur Insertion im Ober- und Unterkiefer geeignet. Auf den Implantaten
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Infoplaner 02/2010
Bild 1: Kieferschnitt mit tioLogic©-Implantat
Bild 2: Schema des tioLogic© Implantatsystems
Um diese innovativen Eigenschaften des Systems abzusichern
und gleichzeitig Optimierungsmöglichkeiten gegenüber dem
über viele Jahre erfolgreichen Vorgängersystem TIOLOX® zu ermitteln, wurden FEM-Berechnungen mit
ANSYS vorgenommen. Diesen schließt sich
ein Dauerfestigkeitsnachweis nach DIN EN
ISO 14801 an.
Ein Dentalimplantat muss auf lange Zeit
hohen funktionellen Belastungen widerstehen, d.h. es muss eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Um dies zu
gewährleisten werden dentale Implantate experimentell nach der internationalen
Norm DIN EN ISO 14801 (Ermüdungsprüfung für enossale dentale Implantate) überprüft. Die Norm schreibt vor, dass das
Implantat 2 Millionen Belastungszyklen
unbeschadet übersteht.
Bild 3: Der Halsbereich des tioLogic©-Implantats mit einer
Bild 4: Durch Verzicht auf die abschließende umlaufende Nut
Bild 5: tioLogic©-Implantat mit 4,2mm Durchmesser aus Titan
abschließenden Nut des Feingewindes. In der abschließenden
bleiben die Spannungen unterhalb der kritischen Werte.
Grade 4. Die berechneten Spannungen liegen über der Dehngrenze,
Nut werden zu hohe Spannungen erreicht.
weshalb für diesen Durchmesser Titan Grade 5 verwendet wurde .
FEM-Optimierung
der Implantatgeometrie
Um unnötige, zeitaufwendige Testreihen
an Prototypen zu vermeiden, wurde während der Entwicklung auf die FEM-Simulation gesetzt. Für die Optimierung der neuen Implantatreihe wurden folgende Fragen
untersucht:
plastischen Verformung nur in einem
minimalen Bereich festgestellt wurde.
Diesem wurde begegnet, indem auf die
abschließende Nut des Feingewindes verzichtet wurde, was die Wandstärke der
Innenverbindung erhöht und die auftretenden Spannungen auf Werte unterhalb
der Dehngrenze reduziert (Bilder 3 und 4).
• Welches Verformungsverhalten des Zahnimplantats ergibt sich unter der gegebenen Belastung?
• Wo treten Spannungskonzentrationen
auf?
• Wie wirkt sich eine Konstruktionsänderung aus?
Eine weitere Frage, die mittels der FEMAnalyse geklärt werden musste, war die
des Materials. Die TIOLOX®-Implantate bestehen aus dem Standardmaterial für Implantate, Titan Grade 5. Viele Implantatsysteme verwenden Titan Grade 4 für die
Implantate. Aufgrund der niedrigeren mechanischen Festigkeiten von Titan Grade 4
gegenüber Titan Grade 5, musste geklärt
werden, ab welchem Implantatdurchmesser der Einsatz von Titan Grade 4 sicher
möglich ist, da ein Implantatversagen
inakzeptabel ist.
Das tioLogic© Implantatsystem wurde dabei denselben Belastungen ausgesetzt wie
das bewährte Referenz-Implantat TIOLOX®.
Die bei Letzterem ermittelten von MisesSpannungen lagen fast ausnahmslos weit
unterhalb der Dehngrenze.
Spannungskonzentrationen wurden im
Übergangsbereich von Implantat und Aufbau lokalisiert, wobei ein Risiko einer
Bild 6: Prüfanordnung nach DIN EN ISO 14801, Ermüdungsprüfung für enossale dentale Implantate
Nach Durchführung der Optimierungsmaßnahmen konnte anhand von erneuten FEMBerechnungen von drei Modellvarianten eine
signifikante Erhöhung der Implantatfestigkeit bestätigt werden, die durchgehend
deutlich unterhalb der kritischen Bereiche
lagen. Da auch bei einem Durchmesser von
4,2 mm bei Titan Grade 4 noch kritische
Spannungskonzentrationen entstanden sind,
wurde bis zu diesem Durchmesser Titan
Grade 5 verwendet.
Biomechanische Untersuchung
der Knochenbelastung
Auch die Spannungen der am Implantat
anliegenden Knochen wurden betrachtet.
Die Werte erwiesen sich für das neue System gegenüber dem bisherigen als identisch. Durch die neue Geometrie, vor allem
durch das im Kopfbereich eingeführte Feingewinde konnte überdies eine homogenere Verteilung der Knochenbelastung erreicht werden.
Auf Anhieb erfolgreiche Dauerfestigkeit nach DIN EN ISO 14801
Wie in der internationalen Norm DIN EN
ISO 14801 vorgeschrieben, wurden die Implantate experimentell auf Dauerfestigkeit
überprüft. Dazu wurde das Implantat mit
Aufbau und Normkrone einem Belastungstest mit zyklisch einwirkenden Kräften
unterzogen. Ziel war es, die Kraft zu ermitteln, bei der das System auch nach
2 Millionen Belastungen kein Versagen
durch Bruch zeigt.
Das Ergebnis bestätigte eindrucksvoll das
Konzept des tioLogic© Implantatsystems,
nämlich eine Synthese zu schaffen zwischen bewährten Elementen des TIOLOX®
Implantats, den neuesten Erkenntnissen
der dentalen Implantologie und den heutigen Anforderungen an Funktionalität und
Ästhetik durch Implantologen, Zahntechniker und Patienten. Trotz seiner geringen
Abmessungen wurde eine ertragene Biegebeanspruchung bei 2 Millionen Lastzyklen
von 138 Ncm erzielt bei einer ertragenen
Kraft von 250 N (Bild7).
Die aus den virtuellen Tests mit der FEM Simulation gewonnen Informationen konnten
damit einen wichtigen Beitrag liefern um bereits in der Entwicklungsphase kritische Implantatvarianten von den zeitintensiven experimentellen Versuch auszuschließen. <<
✒|
Autoren
Dr.-Ing. Jürgen Lindigkeit, Dentaurum
GmbH & Co. KG
Tobias Sterzl, Dentaurum GmbH & Co. KG
i
| Information
Ansprechpartner
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43
Infoplaner 02/2010
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Optimierung eines Einzelkapsel-Inhalators
Einfach tief durchatmen
Das Inhalieren ist eine effiziente Methode, die Atemwege mit Medikamenten zu versorgen, um beispielsweise akute Probleme zu lindern. Boehringer Ingelheim als forschendes Arzneimittelunternehmen ist
bekannt für seine Produkte zur Behandlung von Erkrankungen der Atemwege und setzt auch hier auf kontinuierliche Verbesserungen der Wirkungsweise von entsprechenden Medikamenten.
Als unabhängiges Familienunternehmen mit einer 125-jährigen
Firmengeschichte und weltweit über 40.000 Mitarbeitern handelt
Boehringer Ingelheim nach dem Leitsatz „Werte schaffen durch
Innovation“. Folglich werden im Geschäftsfeld der verschreibungspflichtigen Medikamente mehr als 20 Prozent des dort erzielten Gesamterlöses in die Forschung und Entwicklung investiert.
Dabei geht es nicht nur um die Weiterentwicklung der Arzneimittel selbst, sondern auch die Art der Medikation – speziell bei
Atemwegserkrankungen, bei denen die Medikamente möglichst
tief in die Lunge gelangen sollen. Bei dem lang wirksamen Anticholinergikum Spiriva® wird dies mit dem HandiHaler® realisiert.
Mit diesem kleinen Einzelkapsel-Inhalator, der ebenfalls von
Boehringer Ingelheim entwickelt wurde, wird das Medikament in
Pulverform bereitgestellt und gelangt mit einem Atemzug als Aerosol in die Lunge.
Bild 1: Der Einzelkapselinhalator der Fa. Boehringer Ingelheim im aufgeklappten Zustand. Kernstück ist eine transparente Kapselkammer, in die die Medikamentenkapsel zur Inhalation eingesetzt wird.
„Bei unserem Projekt zur Optimierung des HandiHaler® mit Hilfe
der ANSYS-Software standen wir vor der Aufgabe, eine hohe
Anzahl an inhalierbaren Partikeln, deren Durchmesser kleiner als
5 μm ist, mit einer minimalen Luftflussrate von etwa 20 L/min
sicher in die Lunge zu transportieren“, berichtet Dr. Herbert
Wachtel, der sich bei Boehringer Ingelheim auf die Strömungssimulation spezialisiert hat.
Aerodynamische Auslegung der Strömungskanäle
Als erste Hauptaufgabe der Optimierung wurde die aerodynamische Auslegung der Luft- und Strömungskanäle im HandiHaler®
angegangen, wobei gleichzeitig die Patienten in Form von unterschiedlichen Mund-Rachenmodellen zu berücksichtigen waren.
Als Grundlage für die Strömungssimulationen wurde deshalb ein
parametrisches 3D-CAD-Modell des HandiHaler® sowie unterschiedliche Rachenmodelle vernetzt und zusammengeführt. Der
Patient legt die Medikamentenkapsel in die Kapselkammer und
schließt dann den HandiHaler®. Durch eine Drucktaste mit zwei
Dornen erhält die Kapsel im Inhalator ein Einström- und ein Ausströmloch. Danach kann der Patient lediglich durch sein Einatmen
die Kapsel in eine auf- und abvibrierende Bewegung versetzen,
bei der das Pulver aus der Kapsel austritt.
Bild 2: Verschiedene Varianten der Kapselkamer in der Simulation. Links Strömungsgeschwindigkeit, rechts statischer Druck. Die Skalierung ist jeweils automatisch geändert.
20
Infoplaner 02/2010
„Wir konnten mit ANSYS untersuchen, was für eine Geometrie
notwendig ist, damit die Kapsel abhebt und in Schwingungen versetzt werden kann“, erläutert Dr. Wachtel, denn das System ist
mit einem Tragflügel vergleichbar, der umströmt werden muss.
„Zunächst haben wir den Auftrieb berechnet, der notwendig ist
um die Kapsel in Bewegung zu versetzen, damit das Pulver aus-
Bild 3: Der Einsatz von Wasser statt Luft erlaubt eine Verlangsamung
der Vorgänge. Insgesamt setzt man beim 5-fach vergrößerten Modell dann für Reynolds-Ähnlichkeit eine 70-fach kleinere Geschwindigkeit ein.
treten kann. Dazu war eine stationäre Betrachtung erst einmal ausreichend.“
Viele verschiedene Varianten
sind vergleichend betrachtbar
Die Umrisse des Inhalators wurden so modelliert, dass der Durchmesser und die Länge der Kapselkammer schnell modifizierbar waren und auch der Einlass wurde variiert. Zusätzlich waren bei der Analyse des
sel zum abheben zu bringen“, erklärt Dr. Wachtel. „Dadurch haben
wir die Geometrieform gefunden,
die ein optimiertes Vibrieren der Kapsel ermöglicht.“ Zusätzlich wurde die
sich ändernde Schwingungsfrequenz
der Kapsel im Experiment analysiert,
denn oftmals sind dynamische Fragestellungen im Experiment schneller untersucht als mit einer Computerberechnung. Hier gilt es, die beiden Analysemethoden so effizient
einzusetzen, dass sie sich bestmöglich ergänzen und die Forscher bei
Boehringer Ingelheim einfach und
schnell zu den gewünschten Untersuchungsergebnissen kommen.
wenn sich das Pulver während des Inhalierens in seine einzelnen Bestandteile zerlegt.“
Ein entsprechendes Pulver besteht grundsätzlich aus einer Mischung von grober Laktose (rund 30 μm) und kleinen Wirkstoffteilchen (kleiner als 5 μm). Anhand der
konkreten Größenverteilung können die
Kräfte beeinflusst werden, die bestimmen
wie sich das Pulver mit seinen einzelnen
Bestandteilen verteilt. „Hier kann mit wenigen Stellschrauben viel beeinflusst werden, wenn bekannt ist welche Wechselwirkungen zwischen den Partikeln auftreten“, erläutert Michael Becker, ein Kollege von Dr. Wachtel, der in diesem Themenbereich gerade an seiner Promotion
arbeitet.
Große Geometriemodelle
veranschaulichen die Phänomene
Aber auch Versuche mit einem fünffach vergrößerten Geometriemodell der Kapselkammer führen zu einigen neuen Erkenntnissen. Dieses Modell ist mit Wasser statt
mit Luft gefüllt und statt Pulver wird Tinte
verwendet, um die Pulververteilung zu si-
User-Definied-Functions für
komplexe Aufgabenstellungen
Um solche Analysen durchzuführen, bietet
die ANSYS-Software in Fluent integrierte
User-Definied-Functions (UDF) an. In einem
Gemeinschaftsprojekt von Boehringer
Ingelheim und ANSYS wird in diesem Zusammenhang zur Zeit das DPM-Modell
(Discrete Particle Model – Hartpartikelmodell) weiterentwickelt, damit das
Verhalten von verschiedensten Pulverarten besser analysiert werden kann.
Bild 4: Transiente Berechnung der Fluidisierung eines Pulverhaufens in der Kapsel des HandiHaler®.
Strömungsfeldes typische Lagen der Kapsel zu berücksichtigen. Dazu war die
ANSYS-Workbench-Umgebung sehr hilfreich, denn damit können die verschiedensten Varianten einfach vergleichend betrachtet werden. Die unterschiedlichen Kapsellagen und Geometrieparameter wurden
in Form einer Excel-Tabelle an die Workbench übergeben und anschließend zur
Strömungsanalyse von ANSYS Fluent automatisch vernetzt und berechnet.
„Wir konnten einfach die unterschiedlichen Geometrieparametern systematisch
variieren und die verschiedensten Formkombinationen ausprobieren, um die Kap-
mulieren. Der Versuchsaufbau lässt klar erkennen, dass die Tinte am vorderen Loch
abgesaugt wird, da hier der statische Druck
durch die Geometrievariation stark verringert wurde.
Zu den Möglichkeiten im Bereich der Computersimulation formuliert Dr. Wachtel:
„Aufgrund der Integration der Fluent-Software in die ANSYS Workbench haben wir
zusätzlich Vorteile bei der Weiterentwicklung der Pulver-Inhalatoren nutzen können.
Denn wir wollen nicht nur die Geometrie
optimieren, sondern auch wissen, wie die
Geschwindigkeitsfelder verteilt sind und wie
wir sie am effizientesten nutzen können,
Abschließend formuliert Dr. Herbert
Wachtel: „Bei der
nächsten Generation
der Einzelkapsel-Inhalatoren sind wir
schneller in der Lage, diese so zu gestalten, dass für das jeweilige Pulver eine ideale Entleerung der Kapsel aufgrund der gezielt gestalteten Strömungsverhältnisse
<<
stattfinden kann.“
i
| Information
Ansprechpartner
Böhringer Ingelheim ist Kunde der ANSYS
Germany GmbH, dem ANSYS Competence
Center CFD im deutschsprachigen Raum.
www.ansys-germany.com
Infoplaner 02/2010
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Auf einem guten Weg:
AnyBody und ANSYS in der Fußchirurgie
Die orthopädische Fußchirurgie korrigiert in erster Linie mechanische Fußprobleme, deren Diagnose für den
Fußspezialisten höchste Priorität hat. Da hier klinische Untersuchungsmethoden häufig versagen, wird ein
neuer Weg gegangen, der quantifizierbare und reproduzierbare Ergebnisse und auch bisher verborgene
mechanische Pathologien zum Vorschein bringen kann: Reaktionskräfte und -momente sollen in allen Fußgelenken zu verschiedenen Zeitpunkten der Standphase mit Hilfe der FEM berechnet werden.
Die neue Methode zur Untersuchung
eines mechanisches Problems gliedert
sich in fünf Schritte: Schritt 1 – 3 sind
Messungen der Kinetik, der Kinematik
und der elektrischen Muskelaktivitäten
im Gehen. Im 4. Schritt werden dann mit
dem Programm AnyBody die Muskelkräfte errechnet, die dann im 5. Schritt mit
den gemessenen Bodenreaktionskräften
und Bewegungen als Randbedingungen
in die ANSYS-Berechnung eingebracht
werden.
Kinetik
Die kinetische Untersuchung besteht aus
einer dynamischen Druckmessung auf der
Druckmessplatte und der 3D Kraftmessung
mit der Kraftmessplatte. Der Patient geht
dabei mit frei gewählter Geschwindigkeit
und trifft die Messplatten im 2. Schritt.
Kinematik
Die Bewegungsanalyse wird mit einem 3D
Bewegungsanalysesystem mit 6 Kameras
durchgeführt. Gemessen wird jeweils nur
die Standphase. Die Untersuchung wird
immer unilateral durchgeführt. Das Marker Setup umfasst für die Standarduntersuchung 5 Segmente. Die Validierung des
Setups und der Methodik wurde im Labor
des Kantonsspitals Aarau im Rahmen einer Masterarbeit (ETH Zürich) durchgeführt.
Die Elektromyographie
Die Elektromyographie dient im Wesentlichen als Kontrolle im Sinne eines Postprocessing im anschließenden Muscle Modelling.
Das Muscle Modelling
Für das Muscle Modelling wird das Programm AnyBody Modelling System eingesetzt. Da auf Grund des kinematischen
Setups nur einseitig Daten erhoben werden, das verwendete Modell aber 2-seitig
ausgelegt ist, müssen einige Änderungen
vorgenommen werden, z.B. die Entfernung des Gegenbeins aus den Modellrechnungen (Bild 1). Aus MATLAB Routi-
nen werden die in der Kinematik berechneten Parameter an AnyBody übergeben
und bestimmen so die Muskelkräfte aller
Muskeln an der unteren Extremität.
FEM-Modelle
Der zeitliche Aufwand ein FEM-Modell eines individuellen Fußes zu erstellen, ist
gross. Daher wurde aus Computertomographiedaten zunächst ein typischer Standardfuß als Grundmodell in ANSYS erstellt
(Bild 2).
Um trotzdem bei den Berechnungen eine
gewisse „Individualität“ zu erreichen, wird
ein Scaling gemacht, das heisst, die Länge des Modellfußes wurde durch Ausmessen der Röntgenbilder der tatsächlichen Länge eines Fußes angeglichen. Ebenso werden die Stellungen der einzelnen
Knochen durch Ausmessen der Röntgenbilder ins Fußmodell übertragen und im
ANSYS DesignModeler entsprechend gedreht.
Die Gelenke zwischen den Knochen werden in der Regel als Scharniergelenke definiert. Die Achsen der Gelenke werden –
soweit verfügbar – anhand von Angaben
aus der einschlägigen Literatur gelegt. Für
die kleineren Gelenke, wo meist keine sol-
Bild 1: Anpassung des ANYBODY Modelles
22
Infoplaner 02/2010
Bild 2: In ANSYS vernetztes Fußmodell
chen Angaben vorhanden sind, muss der
Ursprung und die Richtung der Gelenkachsen nach der vorliegenden Geometrie festgelegt werden.
Die Koordinaten der Muskelansätze und
–ursprünge werden am Modell anhand der
anatomischen Lage gemäss Literatur definiert. Auf Grund dessen, dass man die
Gesamtkraft des Muskels aus AnyBody und
den örtlichen Verlauf der Sehnen kannte,
konnten im FEM-Modell die einzelnen
Kraftkomponenten an Ansatz, Ursprung
und auch an den Umlenkungspunkten berechnet werden.
Noch nicht optimal beim geschilderten Vorgehen sind die lineare Berechnungsmethode, die linearen Materialeigenschaften
sowie die quasistatische Betrachtungsweise und die Blockierung der Starrkörperbewegungen. Dies erlaubt nur eine Interpretation der Reaktionskräfte und Momente
in den einzelnen Gelenken, ähnlich wie bei
analytischen Modellen. Spannungen und
Dehnungen müssen unter Vorbehalt interpretiert werden. Dagegen können die
Reaktionskräfte und Momente in jedem
beliebigen Gelenk am Fußskelett bestimmt
werden, was beispielsweise mit AnyBody
allein nicht möglich ist. Ein wesentlicher
Bild 3: Anbringung von Kräften aus AnyBody
Bild 4: Beanspruchung im Fuß
Prinzipiell wurden zum jetzigen Zeitpunkt
noch quasistatische Untersuchungen
durchgeführt. Das Modell wurde daher in
10 verschiedenen Standphasen durchgerechnet, wobei die Position der einzelnen
Fuß-Segmente jeweils der kinematischen
Messung angepasst wurde.
Unterschied zu früheren Modellen ist auch,
dass die heutigen Modelle dreidimensional sind.
Die Materialeigenschaften wurden als
isotrop elastisch definiert, wobei die einzelnen Knochen als Solids behandelt wurden. Diese Vereinfachung erschien zulässig, da in erster Linie nur Reaktionskräfte
und Reaktionsmomente in den Gelenken
berechnet wurden.
Noch nehmen solche Simulationen relativ
viel Zeit in Anspruch, auch wenn ein Standardfußmodell als Grundlage dient. Die
Geometrieveränderungen die durchgeführt
werden, um die jeweilige Position eines
quasistatischen Zustandes zu definieren,
✒|
Das AnyBody Modeling System
Mit der Software AnyBody lassen
sich die Reaktionskräfte des Körpers,
z.B. auf die Handhabung von Gegenständen berechnen. So sind etwa in der Automobilindustrie die
Körperkräfte von Interesse, die bei
der Betätigung des Gaspedals oder
der Schaltung entstehen. Ein anderes Beispiel sind die Reaktionskräfte,
die während der Bedienung eines
Sportgerätes im Körper hervorgerufen werden.
Aufgrund der wertvollen Informationen, die AnyBody hinsichtlich äußerer Körperbelastungen liefert, finden
sich weitere wichtige Anwendungsgebiete in der Entwicklung von Rehabilitationsgeräten und ganz allgemein für Ergonomieuntersuchungen.
Die in AnyBody verfügbaren
Optimierungsalgorithmen helfen
darüber hinaus für jeden Anwendungsfall diejenige Parameterkombination zu finden, welche den vorgegebenen Zweck am besten erfüllt.
Schnittstelle zu ANSYS
Autor
Dr. med. Christian Wyss,
Das Neuartige an diesem Vorgehen ist,
dass hier im Gegensatz zu anderen Fußmodellen die Muskelkräfte als Randbedingungen eingesetzt wurden. Insbesondere wurden auch die Krafteinwirkungen
an den Umlenkpunkten der Muskeln
berücksichtigt. Da zum Beispiel die Krafteinwirkung am Grosszehengrundgelenk
wesentlich grösser ist als ohne, scheint das
Weglassen dieser Kraftgrössen doch eine
zu grobe Vereinfachung zu sein.
müssen zum Teil noch von Hand nachbearbeitet werden. Daher liegt der Schwerpunkt dieser Simulationen in der Fußchirurgie zurzeit noch im Forschungsbereich und nur in Ausnahmefällen im klini<<
schen Alltag.
Leitender Arzt, Labor für Bewegungsanalyse, Fusszentrum orthopädische Klinik,
Kantonsspital Aarau AG, und Labor für
Bewegungsuntersuchungen, Universitätskinderspital beider Basel
Ansprechpartner
Über die Schnittstelle zu ANSYS lassen sich automatisch die in AnyBody
ermittelten Randbedingungen, also
Kräfte und Momente in den Gelenken und den Muskelansatzpunkten,
auf ein FEM-Modell übertragen und
eine Spannungsanalyse mittels
ANSYS durchführen. In dem FEMModell können dann auch zusätzliche Komponenten wie z.B. Implantate berücksichtigt werden.
Alexander Nolte, CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51
Infoplaner 02/2010
23
Patienten-individuelle Simulationen
In Zeiten einer immer schneller fortschreitenden technologischen Entwicklung, die immer komplexere
Aufgabenstellungen zu lösen vermag, ist eine verstärkte interdisziplinäre Zusammenarbeit auf der
Tagesordnung. Dies gilt insbesondere für den medizinischen Bereich, in dem neue Erkenntnisse aus den
Ingenieurwissenschaften, Mathematik, Physik, Informatik, Biomechanik und Computertechnologie zur
Lösung komplexer medizinischer Fragestellungen integriert werden.
de „Forschungsstrategie zur individualisierten Medizin mit dem Fokus auf den Patientennutzen und von neuen Konzepten
der Versorgungs- und Gesundheitssystemforschung“ entwickelt werden.
Bild 1: FEM-Simulation der Anprobe eines Prothesenschaftes: v.l.n.r.: stehend ohne Schaft, Simulation, stehend mit optimalem
Schaft; Forschungsprojekt C.O.P.K.O. (AZ-809-08), gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung.
Dass hier Bedarf vorhanden ist, zeigt beispielsweise ein Blick auf die Situation von
Patienten mit Implantaten, die etwa nach
Knochenbrüchen versorgt werden oder ein
Hüftgelenkersatz erhalten haben. Trotz intensiver medizinischer Forschung kann es
zu Komplikationen wie schlechter Einheilung oder in Einzelfällen auch zu Versagen
kommen. Dies führt zu höheren Betreuungskosten und verunsicherten Patienten.
Zwar ist eine biomechanisch günstige Planung von Implantaten nicht einfach, da
Bild 2: Auslegung eines Brust-Implantats; Forschungsprojekt
SINUS ll, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und
Technologie
24
Infoplaner 02/2010
Faktoren wie Position und Größe des Implantats und insbesondere die auf das Implantat wirkenden Kräfte nicht genau bestimmbar sind und von Patient zu Patient
variieren. Jedoch können mit Hilfe der patienten-individuellen Simulation auf Basis
der FEM die prothetischen Anwendungen
immer weiter optimiert werden. Der hier
zu berücksichtigende Workflow umfasst
sowohl die patienten-individuelle Geometrieerstellung auf Basis von bildgebenden
Verfahren (CT/MRT) als auch die Festigkeitsberechnung mit FEM-Software sowie
die Bestimmung von realistischen auf das
Implantat wirkenden Kräften.
Bundesministerium unterstützt
individualisierte Medizin
Dass CADFEM mit dieser Fokussierung auf
eine patienten-individuelle Simulation richtig liegt belegt auch die „Hightech-Strategie 2020 für Deutschland“, die im Juli 2010
vom Bundesministerium für Bildung und
Forschung vorgestellt wurde. Dort heißt es:
„Die Individualisierung der Medizin … kann
nicht nur wirksamere Therapien mit weniger belastenden Nebenwirkungen für Patientinnen und Patienten ermöglichen, sondern auch Potenziale für eine bessere Gesundheitsversorgung erschließen und zu
neuen Geschäftsmodellen für Unternehmen führen.“ Deshalb soll eine umfassen-
Grundsätzlich ist der Einsatz der FEM-Simulation im medizintechnischen Bereich
nichts Neues. Viele Medizintechnikprodukte
werden schon seit Jahren mit FEM-Unterstützung konstruiert und optimiert. Als neu
kann hingegen ihr patienten-individueller
Einsatz bezeichnet werden. Dabei geht es
nicht mehr allein um die Optimierung eines Produktes außerhalb des menschlichen
Körpers, sondern vor allem um das Zusammenspiel von externem Material (Implantate, Stents) und menschlichem Gewebe (Knochen, Gefäße).
Schon vor der Operation verschiedene Szenarien durchspielen
Zum Beispiel können patienten-individuelle Simulationen dem Arzt helfen, die Risiken nach oder während eines medizinischen Eingriffes zu minimieren, indem er
schon vor der Operation am Computer verschiedene Szenarien durchspielen kann. Im
Umfeld orthopädischer Prothesen liegt die
Problematik in der Konstruktion einer passenden Prothesenschaftform für den Amputationsstumpf. Bislang geschieht die individuelle Anpassung manuell, indem negative Abdrücke genommen werden, aus
denen ein Positivmodell erstellt wird. Die
Prothesenschaftfertigung basiert dabei stark
auf der empirischen Erfahrung des Orthopädietechnikers. Bis zu Erzielung einer
korrekten Schaftform ist nicht selten die
Anfertigung zahlreicher Testschäfte erforderlich, was mit einem Zeitaufwand von
mehreren Arbeitstagen einhergehen kann.
Mit einer patienten-individuellen Simulation wäre es möglich, die komplexen Vorgänge der Gewebeveränderung während
der Anprobe des Schaftes zu simulieren,
um so aus den Simulationsergebnissen
Rückschlüsse auf den Sitz der Prothese zu
ziehen. Dabei müsste im optimalen Fall kein
einziger Testschaft erstellt werden.
Ein weiteres FEM-Anwendungsgebiet im
medizinischen Umfeld ist die patienten-individuelle Simulation von Abdominalen
Aneurysmen. Das Abdominelle Aorten
Aneurysma (AAA) ist eine gefährliche Ausbuchtung der Hauptschlagader im Bauchraum, bei dem sich im Inneren der Ausbuchtung ein Thrombus aus geronnenem
Blut bildet. Bricht oder reißt das Gewebe,
besteht Lebensgefahr durch innerliches Verbluten. Mit Hilfe von FEM-Simulationen
könnten sich die Wandspannungen im Gefäß berechnen und damit wesentlich bessere Vorhersagen über die Risiken eines Gefäßbruches treffen lassen. Aus technischer
Sicht ist die FEM-Simulation von patientenindividuellen Aneurysmen prinzipiell schon
heute möglich. Für einen Einsatz in der klinischen Praxis müssen jedoch noch offene
Fragen geklärt werden, zum Beispiel über
die mechanischen Eigenschaften der Gefäßwand.
CAS – Methoden der
Computer assistierten Chirurgie
Um die patienten-individuellen Simulation
voranzubringen, konzentriert die Forschungsgruppe CAPS (Computer Aided Plastic Surgery) ihre wissenschaftlichen Aktivitäten auf die Untersuchungen innovativer Technologien zur dreidimensionalen Erfassung, Digitalisierung und Visualisierung
der menschlichen Körperoberfläche und
der Weichteilgewebe. Geleitet wird die
Gruppe von PD Dr. med. Laszlo Kovacs aus
der Klinik und Poliklinik für Plastische und
Handchirurgie am Klinikum rechts der Isar
der TU München. CADFEM ist der Partner
von CAPS für das Thema numerische Si-
mulation. Gemeinsames Ziel ist es, die Methoden der Computer assistierten Chirurgie (Computer Assisted Surgery – CAS) dem
Fach der Ästhetischen, Plastischen und Rekonstruktiven Chirurgie zugänglich zu machen.
Beispielsweise erzeugt die Forschungsgruppe CAPS aus radiologischen Bilddatensätzen 3D-Rekonstruktionen von anatomischen Volumenmodellen unterschied-
Bild 3: Simulation einer Hüftprothese
licher Körperregionen. Diese nutzt sie
gemeinsam mit den entsprechenden biomechanischen Gewebeparametern, um
eine physikalisch präzise, numerische Simulation von Gewebedeformierungen mittels
FEM durchzuführen. Somit können deformierbare FEM-Modelle zur Überprüfung
und Simulation biomechanischer Interaktionen unter Berücksichtigung der spezifischen Gewebeeigenschaften erstellt werden. Insbesondere im Rahmen der Simulation von Weichteildeformierungen erfolgt
die Identifizierung physikalischer Gewebeparameter wie die Elastizitäts/Elongationswerte, die für die numerische Simulation notwendig
sind.
mit FEM die mechanische Beanspruchung
des Knochens durch ein Implantat vor einer Operation virtuell zu ermitteln.
CADFEM arbeitet an den technischen Voraussetzungen für die Einführung der FEM
in den zahnmedizinischen Bereich. Auf Basis von digitalen Röntgendaten (CT) wird
ein Computermodell des Kieferknochens
erstellt. Unter Berücksichtigung der patienten-individuellen biomechanischen
Eigenschaften des Knochens
und der Kaubelastung auf das
Implantat kann die mechanische Belastung des Kieferknochens im Voraus berechnet und eine mögliche Überlastung des Knochengewebes
erkannt werden. Den Ergebnissen entsprechend kann die
Implantatplanung optimiert
werden.
Abschließend soll betont werden, dass die Auswertung und
Interpretation der Simulationsergebnisse eine besondere
Herausforderung darstellt.
Zum einen setzt die Ergebnisinterpretation hohen technischen Sachverstand voraus. Zum anderen
– und das ist entscheidend – werden die
Ergebnisse herangezogen, um Entscheidungen für medizinische Behandlungen
abzuleiten. Wie im Ingenieurwesen auch
ist daher zu betonen, dass die Ergebnisse
letztlich immer nur Hinweise zur Interpretation von bestimmten Sachverhalten liefern. Die Entscheidung und damit auch die
Verantwortung verbleiben nach wie vor
<<
beim behandelnden Arzt.
✒|
Autor
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43
Bild 4: FEM-Simulation in der ZahnImplantologie
Patienten-individuelle
Zahnimplantate
PIDIS steht für das Förderprojekt Patient Individual Dental
Implant Simulation, an dem
die CADFEM GmbH und das
Fraunhofer Institut Arbeitswissenschaft und Organisation
(IAO) beteiligt sind. Ziel ist es,
Weitere Informationen zu CAPS
www.caps.me.tum.de
Infoplaner 02/2010
25
Von der Computertomografie
zum FEM-Simulationsmodell
Um einen Knochen oder eine andere Struktur aus dem Inneren des menschlichen Körpers in eine FEMSimulation einbeziehen zu können, muss er als Geometriemodell vorliegen. Die Prozesskette von der Computertomografie bis hin zur FEM-Simulation, etwa für die Entwicklung von Implantaten, wird durch die
Lösungen von Materialise und CADFEM lückenlos abgebildet.
CADFEM hat mit dem Partner Materialise
eine Prozesskette entwickelt, die bei tomografischen, also bildgebenden medizinischen Verfahren beginnt und an deren
Ende ein FEM-Modell der abgebildeten
Struktur steht, die detaillierte Erkenntnisse ermöglicht, die insbesondere in der Prothetik und Implantologie von großer Bedeutung sind.
Aus den Aufnahmen der Computertomografie (CT) oder auch der Magnetresonanztomografie (MRT) erzeugt zunächst die
Software Mimics von Materialise geometrische Modelle der anatomischen Struk-
tur, die im nächsten Schritt mit der Software 3-matic, ebenfalls von Materialise,
ähnlich einem CAD-System ediert werden
können. Die so generierten patienten-individuellen Geometriedaten sind dann der
Ausgangspunkt für weiterführende FEMSimulationen.
Anschließend erfolgte die Vernetzung der
Geometrie sowie die Ermittlung der Randbedingungen, d.h. der auf sie einwirkenden Körperkräfte, die mit der Software
AnyBody berechnet werden. Danach kann
eine Prothese oder ein Implantat eingefügt
<<
werden.
✒|
Autor
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-43
!
| Veranstaltungshinweis
■ Kostenfreier Informationstag
FEM in der Prothetik
und Implantatentwicklung
• Geometrieerstellung mit Mimics/3-matic
• FEM-Simulation mit ANSYS
• ANSYS in der Biomechanik
• Muskuloskelettale Simulation mit AnyBody
• Fragen und Antworten, Diskussion
Details, Termine, Anmeldung
www.cadfem.de/infotage
Von der Bildgebung zum FEM-Modell
1. Geometrieerstellung mit Mimcs und 3-Matic (in Kooperation mit Fa. Materialise)
2. FEM-Simulation mit ANSYS und Berechnung der Muskelkräfte mit AnyBody
Vernetzung der patienten-spezifischen Geometrie
(STL-Daten) in ANSYS
26
Infoplaner 02/2010
Berechnung von patienten-spezifischen Muskelkräften
in AnyBody
Berechnung und Auswertung der Ergebnisse
in ANSYS
Leichter bergen durch Composites
Die Entwicklung eines Leichtbau-Rettungsschlittens aus Faserverbundwerkstoffen war das Ziel einer industriellen Projektarbeit an der FH Rosenheim. Nach einem genauen Anforderungsprofil der Bergwacht Bayern
durchlief das künftige Rettungsgerät den klassischen Entwicklungsprozess aus Planungs-, Konzept-, Entwurfs- und Ausarbeitungsphase. Für die strukturmechanische Auslegung und die Anordnung der CompositeLagen setzten die Studenten des Team Res-Q ANSYS und ANSYS Composite PrepPost ein.
Mit der Jahr um Jahr wachsenden Zahl an
Bergsportlern steigt auch die Häufigkeit
der Bergwachteinsätze, um verletzte Menschen zu retten. Dieser Trend erfordert auch
eine kontinuierliche Weiterentwicklung der
Rettungsgeräte, um mit den steigenden
Anforderungen mithalten zu können.
Moderne Werkstoffe, wie es Faserverbundmaterialien sind, werden in Rettungsgeräten (primär Akja und Gebirgstrage)
derzeit kaum verwendet. Doch gerade deren Leichtbaupotential bei hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten kann
die Einsatzbedingungen für Retter verbessern. Vor dem Hintergrund des hohen Gewichtes, der Stabilitätsmängel und funktionellen Einschränkungen des gängigen
Rettungs- oder Transportschlittens in Wannenform (Akja und Gebirgstrage) entstand
eine industrielle Projektarbeit des studentischen Team Res-Q an der FH Rosenheim
Bild 1: Die Wanne mit Netz aus ca. 190.000 Knoten.
mit dem Ziel, ein universelles Leichtbaurettungsgerät aus Faserverbundwerkstoffen zu entwickeln.
Bild 3:
Eine Hälfte des
Funktionsprototypen
Ein in der Planungsphase erarbeitetes Lastenheft wurde in der Konzeptphase zu einem Pflichtenheft konkretisiert. Als wesentliche Eigenschaften für einen wirtschaftlichen Erfolg kristallisierten sich ein
geringes Gewicht, Einsatzfähigkeit im Sommer und im Winter sowie Verbesserungen
in der Bedienbarkeit, beim
Bremssystem, den Holmen
und der Lebensdauer heraus. Unter Berücksichtigung
der besonderen Konstruktionsrichtlinien für Faserverbundwerkstoffe wurde der
neue Rettungsschlitten mit Bild 4: Die Eigenschaften des neuen Rettungsschlittens im Vergleich zu den bestehendem Programm CATIA V5 den Varianten.
entworfen, beginnend mit
trachtet, um z.B. ein mögliches Knicken
der Wanne als zentralem Element (Bild 1).
auszuschließen. Es zeigte sich, dass die HolAlle anderen Bauteile wurden sozusagen
me ausreichend gegen Knicken dimensioum die Wanne herum konstruiert. Mit
niert waren und es nicht zu einer überANSYS Composite PrepPost wurde der gemäßigen Biegung der Holme kommt.
wünschte Lagenaufbau untersucht und mit
ANSYS Workbench Mechanical wichtige
Nach erfolgreicher Produktentwicklung kam
Lastfälle betrachtet:
es zum Bau eines Prototypen. Im Vergleich
zu den bestehenden Systemen Akja und
• Ablassen mit Retter
Gebirgstrage wies der entwickelte Ret• Aufheben und Tragen
tungsschlitten zahlreiche Vorteile auf, die
• Fahren mit Rad
auch die geschätzten höheren Kosten
• Abseilen
<<
erklären und rechtfertigen.
Analysiert wurden die maximale Deformation und die maximale Spannung. Nachi | Information
dem sich diese unter den angenommenen
Randbedingungen als unproblematisch erDieser Artikel ist eine Kurzzusammenfaswiesen haben, wurden mit ANSYS Composung des Projektberichtes des studentischen
site PrepPost Faserkennwerte, Lagenaufbau
Teams Res-Q an der FH Rosenheim
und Faserorientierung optimiert (Bild 2).
Kontakt:
Jann Stoff
Bild 2: Maximale Verformung der Wanne.
Da im Einsatz auch die Holme großen Belastungen, insbesondere Biegebeanspruchungen, ausgesetzt sind, wurde auch
deren Verhalten per Simulation näher be-
Informationen zu ANSYS Composite PepPost:
www.cadfem.de/composites
Infoplaner 02/2010
27
Veranstaltungen
Simulation & Biomechanik: Veranstaltungen im Herbst
■ Kostenfreies Webinar
■ Seminar
FEM-Simulation in der Prothetik: Dauerfestigkeit von
Implantaten nach ISO- und ASTM-Normen
• Einleitung
• Das ANSYS Fatigue Tool
• Zulassungsnormen ( Bsp. ISO 7206; Bsp. ASTM F382-99)
• ANSYS Live Demo
• Randbedingungen aus AnyBody
• Zusammenfassung
Bestimmung von Gelenk- und Muskelkräften
mit der Software AnyBody
Das „AnyBody Modeling System“ ist eine Simulationssoftware,
mit der beispielsweise Muskelkräfte, Gelenkkräfte oder die
mechanische Arbeit während eines Bewegungsablaufes berechnet
werden können. In dieser Seminarveranstaltung erlernen die
Teilnehmer an einfachen Beispielen die Anwendung der Software.
4. – 5. Oktober 2010 in Grafing b. München
Termine, Details, Anmeldung
www.cadfem.de/webinare
Details, Anmeldung, Kosten
www.cadfem.de/seminare
■ Informationstag
■ Seminar
ANSYS Strukturmechanik
• FEM-Theorie
• Material
• Statik
• Dynamik im Frequenzbereich
• Transiente Dynamik
• Produkte, Arbeitsprozesse, Optimierung
• Fragen und Diskussion
Einführung in die FEM für Biomechaniker und Mediziner
Dieses Seminar richtet sich an Mediziner, die im Rahmen ihrer Forschungstätigkeit FEM einsetzen (oder besser verstehen) möchten,
aber keine technische Ausbildung haben. Den Teilnehmern wird
anschaulich ein grundlegendes Verständnis für die FEM vermittelt.
Sie erlernen die Durchführung einer FEM-Simulation anhand von
realen Beispielen aus der Medizin. Als FEM-Programm wird ANSYS
Workbench genutzt.
Verschiedene Termine im Herbst
12. – 13. Oktober 2010 in Stuttgart
www.cadfem.de/strukturmechanik
Details, Anmeldung, Kosten
■ DKOU 2010
■ Fachkonferenz
Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie
Simulation in der Biomechanik
Der Bereich „Biomechanik“ hat seit Jahren einen festen Platz im
Konferenzprogramm der „ANSYS Conference & des CADFEM
Users’ Meeting“, der wohl größten jährlichen Anwendertagung
zur numerischen Simulation in Europa. In diesem Jahr findet die
Veranstaltung vom 3. – 5. November 2010 im Eurogress Aachen
statt.
Hinweis: Fortbildungspunkte werden bei der Landesärztekammer
beantragt.
26. – 29. Oktober 2010 in Berlin
Besuchen Sie CADFEM und Materialise an Stand 84/24.
Im Rahmen des DKOU findet eine FEM-Sitzung statt,
die von CADFEM mit organisiert wird.
27. Oktober 2010 von 9:30 – 11:00 Uhr
Informationen
www.orthopaedie-unfallchirurgie.de
Mittwoch, 3. Oktober 2010, nachmittags
Workshop Biomechanik
Donnerstag, 4. Oktober 2010, ganztags
Vortragssession zur Biomechanik mit aktuellen Anwenderbeiträgen in den Rubriken Plastische Chirurgie, Unfallchirurgie,
Orthopädie, Mund-Kiefer-Chirurgie und Gefäßchirurgie sowie
AnyBody User Session.
Informationen
28
Infoplaner 02/2010
CADFEM
ANSYS Conference
& 28. CADFEM Users’ Meeting
3. – 5. November 2010, Aachen, Eurogress
Mit freundlicher Unterstützung von:
Eintauchen in die Welt von ANSYS
Programmüberblick (Stand: August 2010)
In Aachen, der Stadt der Quellen und Brunnen mitten in Europa,
sprudeln vom 3. – 5. November 2010 Vorträge Anwendervorträge, Software-Neuigkeiten und Kompaktseminare rund
um die rechnerische Simulation mit ANSYS und komplementären Produkten. Tauchen Sie ein in die Welt von ANSYS
auf der größten jährlichen Anwendertagung zur rechnerischen Simulation in Europa!
Mittwoch, 3. November 2010
• Eröffnungsplenum
• Plenum ANSYS Workbench: Smart Engineering
for Smart Products
• ANSYS Software-Updates in den Bereichen CFD,
Strukturmechanik, Elektromagnetik
• Kompaktseminar Biomechanik
• ANSYS User Club e.V. Meeting
• Große Fachausstellung
Vollständiges Vortragsprogramm und
weitere aktuelle Informationen auf
Medienpartner
www.PLM-IT-Business.de
30
Infoplaner 02/2010
Donnerstag, 4. November 2010
• 12 parallele Vortragssessions zu verschiedenen Themen,
u.a. aus den Bereichen CFD, implizite und explizite Strukturmechanik, Elektromagnetik, Akustik, HPC, Biomechanik
• Ansoft Application Seminar
• 6. CAE-Forum zum Thema „Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
von Simulation“
Freitag, 5. November 2010
• 2 x 14 parallele Kompaktseminare zu verschiedenen Themen,
u.a. aus den Bereichen CFD, implizite und explizite Strukturmechanik, Elektromagnetik, Akustik
• Abschlussplenum
CADFEM
2010
Sponsoren
HP + Intel: Partners in High
Performance Computing
Microsoft High Performance Computing
in Computer Aided Engineering (CAE)
To meet the ever-increasing simulation demands of the industrial
manufacturing sector, customers constantly require more power,
accuracy and speed of simulation tools. The Computer Aided
Engineering industry is particularly focused on these new challenges; challenges that can be addressed by an intelligent converged infrastructure, integrating optimized hardware, software
and interconnect technologies. By working closely with ANSYS,
HP and Intel are able to deliver optimized simulation solutions on
the Intel® Xeon® Processor 5600 Series or Intel® Xeon® Processor
7500 Series.
In manufacturing companies, HPC has evolved from being a cost
center to a strategic asset that is a key enabler of innovation.
Microsoft is delivering a new generation of tightly integrated HPC
technology that closely interoperates with existing enterprise HPC
infrastructure, and facilitates seamless access to compute resources without compromising the productivity of end users, and system
administrators.
HP and Intel are recognized leaders in providing technical computing
solutions to meet the demands for Computer Aided Engineering.
More information on HP and Intel is available at:
Microsoft in close partnership with key advanced manufacturing
and CAE software providers, is delivering solution stacks that make
the power of HPC readily accessible to engineers and scientists in
a manufacturing organization, while ensuring they remain productive.
www.microsoft.com/hpc
www.intel.com/technology/business/hpc.htm
www.hp.com/go/cae
Infoplaner 02/2010
31
ANSYS
ANSYS
www.cadfem.de/ansys
ANSYS ist heute der größte unabhängige Anbieter von CAE-Technologie weltweit und bietet seinen Anwendern die leistungsfähigsten Werkzeuge zu praktisch jedem Bereich der Simulationstechnik.
ANSYS Workbench
Die Vision von ANSYS wurde durch die ANSYS Workbench-Umgebung realisiert. Hierbei handelt es sich nicht einfach um ein Produkt, sondern um eine vollständige CAE-Umgebung. Sie integriert
Programme von ANSYS unter einer einheitlichen Arbeitsoberfläche
und öffnet die Ankopplung an Software anderer Anbieter.
Von CAD bis Datenmanagement
Von der CAD-Anbindung über Modellerstellung, physikalische Berechnung, Auswertung, Parametermanagement, Optimierung und
intelligentes Datenmanagement werden sämtliche Schritte im Simulationsprozess mit Hilfe der Workbench definiert und grafisch
anschaulich verknüpft. Die Datenverwaltung und das Schnittstellenmanagement zwischen den Programmen erfolgen automatisiert
im Hintergrund und geben den Anwender dadurch mehr Zeit für
seine eigentlichen Aufgaben. Einmal definierte Simulationsprozesse beliebiger Komplexität können jederzeit erneut aktiviert und mit
minimalem Aufwand variiert werden. Natürlich ist ANSYS Workbench 2.0 auch offen gegenüber Produkten von Drittanbietern.
Exklusiv in ANSYS
Workbench-Software und -Technologie sind ein Alleinstellungsmerkmal von ANSYS in der CAE-Industrie. Kein anderer Anbieter
bietet einen vergleichbaren Integrationsgrad für derart umfassende und leistungsstarke Simulationswerkzeuge.
Permanente Weiterentwicklung
ANSYS reinvestiert einen großen Teil der Umsatzerlöse in die Weiterentwicklung und den Ausbau der Software. Auf den Seiten 30 bis
35 stellen wir Ihnen junge Mitglieder der ANSYS Produktfamilie vor.
32
Infoplaner 02/2010
CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEM
CADFEM betreut seit über 25 Jahren die CAE-Technologie von
ANSYS, Inc. im deutschsprachigen Raum und als ANSYS Competence Center FEM Anwender aus Industrie und Forschung mit Software von ANSYS und komplementären Produkten. Seminare und
Anwendersupport, Consulting und Entwicklung sind Dienstleistungen von CADFEM für eine optimale Nutzung von CAE.
Der Name ANSYS steht für unabhängige führende
Simulationstechnologie für praktisch alle Physiken:
• Einzigartige Anwendungsbreite
- Implizite und explizite Strukturmechanik
- Strömungsmechanik
- Temperaturfelder
- Elektromagnetik
• Umfassende Funktionalität innerhalb jeder Physik
• Multiphysik: Direkte Kopplungsmöglichkeiten
• Skalierbarkeit nach individuellen Anforderungen:
Von konstruktionsnah bis High-End
• Offenheit und Flexibilität zur vertikalen Integration
und Kopplung mit anderen CAE-Systemen
• ANSYS EKM: Verwaltung und Archivierung von
Simulationsdaten und -prozessen
ANSYS
CADFEM
Ihr ANSYS Competence Center FEM
ANSYS kennenlernen
Hardware für ANSYS
ANSYS-Training
Kostenfreie technische
Informationstage
Den passenden Rechner gleich dazu
Anwenderschulungen für
Einsteiger & Fortgeschrittene
Hier lernen Sie ANSYS kennen – und CADFEM gleich
mit! Kompakt an einem Tag erhalten Interessierte
einen themenspezifischen Überblick über die
technischen Möglichkeiten, die Vorgehensweise
und die Einsatzgebiete von ANSYS oder einem anderen Programm. Infotage finden regelmäßig in
verschiedenen Städten in Deutschland, Österreich
und der Schweiz statt. Die Teilnahme ist kostenfrei,
die Informationen sind technisch ausgerichtet und
auf den Bedarf der Zielgruppe zugeschnitten. Ein
fester Bestandteil der Agenda ist die Diskussion
individueller Fragen.
Sie möchten aus Ihrer Berechnungssoftware durch
die richtige Hardwareplattform das Optimum herausholen? Auch hier sollten Sie mit CADFEM sprechen. CADFEM ist Partner der bekannten Hardwarefirmen, wie HP, Fujitsu oder Dell, und kann die
Anwender herstellerneutral beraten. Kunden profitieren von unseren Erfahrungen bei Benchmarks.
Auch die Preise der Rechner sind attraktiv, betriebsbereite Konfiguration & Installation der
bestellten Programme inklusive.
Software Aus- und Weiterbildung: Das CADFEM
Schulungsangebot erstreckt sich für alle Produkte
von Einführungs- bis hin zu Vertiefungsveranstaltungen für Experten. Referenten sind Mitarbeiter
von CADFEM und externe Fachleute, die alle eine
langjährige Erfahrung mit dem geschulten Programm und Anwendungsgebiet mitbringen. Seminare werden in den Geschäftsstellen von CADFEM
in Deutschland, Österreich und der Schweiz sowie
auf Wunsch auch firmenspezifisch beim Kunden
durchgeführt.
www.cadfem.de/infotage
www.cadfem.de/hardware
ANSYS bedarfsgerecht mieten
ANSYS-Support
ANSYS-Customization
eCADFEM: FEM-Software „on Demand“
Kompetente Anwenderunterstützung,
zuverlässig erreichbar
Anwender-, firmen- oder
branchenspezifische Entwicklung
Sie nutzen Software nur sporadisch oder müssen
Kapazitätsengpässe überbrücken? eCADFEM ist ein
Service, der bedarfsgerecht und mit sekundengenauer Abrechnung – daher besonders wirtschaftlich – die Nutzung vieler CADFEM Simulationsprogramme ermöglicht. Alternativ zum Lizenzkauf bietet eCADFEM über das Internet unmittelbaren Zugriff auf ANSYS und weitere FEM-Lösungen. Insbesondere wenn Programme nicht regelmäßig genutzt werden oder vorhandene Lizenzen temporär
erweitert werden müssen, gewährleistet eCADFEM
dem Anwender ein Höchstmaß an Flexibilität und
Kostenkontrolle.
Wenn Sie mal nicht weiter wissen: Support über
Telefon, Telefax, E-Mail, Internet, WebEx oder auch
vor Ort erbringen erfahrene Berechnungsingenieure,
die mit ANSYS und den anderen CADFEM Softwarelösungen bestens vertraut sind. Der CADFEM
Support ist werktags von 8 – 18 Uhr besetzt. Die
Hotline-Mitarbeiter haben nicht nur engen Kontakt
zu den Anwendern, sondern stehen auch in direkter Verbindung mit den Entwicklern von ANSYS
und den anderen Partnern.
ANSYS kann um kundenindividuelle Lösungen
erweitert werden. Auch diese programmiertechnischen Anpassungen bietet CADFEM an. Bei den
meisten Projekten geht es um ANSYS Workbench.
Deshalb wurde ein „Workbench Customization
Team“ gebildet. Aber auch die Anpassung anderer
Produkte wie z.B. ANSYS Classic oder LS-DYNA wird
von den CADFEM Entwicklern abgedeckt.
www.eCADFEM.com
www.cadfem.de/support
www.cadfem.de/consulting
Infoplaner 02/2010
33
ANSYS
ANSYS
www.cadfem.de/ansys
ANSYS Strukturmechanik
ANSYS Multiphysik und gekoppelte Systeme
Konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Berechnung
Multiphysik
ANSYS bietet speziell auf die Anforderungen von Anwendern aus der
CAD-Konstruktion zugeschnittene Simulationswerkzeuge. Die wesentlichen Unterschiede zu den Tools, die von CAD-Anbietern selbst
offeriert werden, sind: die Nutzung führender ANSYS Simulationstechnologie, der damit verbundene nahtlose Übergang zum erweiterten ANSYS Simulationsspektrum und die gesicherte und professionelle Anwenderunterstützung durch CADFEM.
Der Name ANSYS steht seit Jahren für technologisch führende Werkzeuge für die Berechnung des Verhaltens von Bauteilen und Produkten, wenn Wechselwirkungen unterschiedlicher Physiken berücksichtigt werden müssen. Mit diesem einen Programm und unter einer einheitlichen Oberfläche können statische, dynamische, thermische, strömungsmechanische, akustische und elektromagnetische Effekte miteinander kombiniert werden.
Produkte
• ANSYS DesignSpace
• ANSYS Professional NLS
Produkt
• ANSYS Multiphysics
Elektromagnetik mit Maxwell
Strukturmechanik
ANSYS deckt die ganze Bandbreite der anspruchsvollen strukturmechanischen FEM-Simulation ab, um so z.B. die Möglichkeiten neuer
Werkstoffe optimal auszureizen oder Bauteileigenschaften, auch bei
dynamischer bzw. kurzzeitdynamischer Belastung im Detail zu optimieren.
Darüber hinaus können Effekte aus der Akustik, der Thermodynamik
sowie thermisch-elektrische Wechselwirkungen in die Simulation einbezogen werden.
Produkte
• ANSYS Structural
• ANSYS Mechanical
• ANSYS Explicit STR
Zusatzmodule für strukturmechanische Anwendungen
•
•
•
•
•
Composites Engineering: ANSYS Composite PrepPost
Betriebsfestigkeit: ANSYS nCode DesignLife
Mehrkörpersimulation: ANSYS RigidDynamics
Multidisziplinäre Optimierung & Robustheitsbewertung: optiSLang
Robust Design: ANSYS DesignXplorer
ANSYS bietet elektromagnetische Feldsimulatoren für niederfrequente
Anwendungen zur Analyse von 2D- oder 3D-Strukturen. Maxwell ist besonders auf die elektromagnetische Analyse von Elektrischen Maschinen
und Elektromagneten zugeschnitten. Kombiniert mit ANSYS Mechanical werden Thermodynamik und Strukturmechanik einbezogen.
Produkte
• ANSOFT Maxwell
• ANSYS Mechancial und ANSOFT Maxwell
• ANSOFT RMxprt und PExprt
Systemsimulation in der Elektromechanik
Zur Entwicklung komplexer leistungselektronischer Antriebs- und anderer Systeme stellt ANSYS das Produkt ANSOFT Simplorer zur Verfügung. Durch die umfangreiche und erweiterbare Modellbibliothek (z.B.
durch VHDL-AMS Modelle aus Mechanik, Magnetik, Hydraulik, Pneumatik, Thermik) lässt sich die Brücke über unterschiedlichste Physiken
schlagen. Ergänzt wird diese Technologie durch „MOR for ANSYS“ dem
Tool für die Modellreduktion, das gleichzeitig als Schnittstelle zur
Systemsimulation dient.
Produkte
• ANSOFT Maxwell und ANSOFT Simplorer
• ANSYS Mechanical, MOR for ANSYS und ANSOFT Simplorer
34
ANSYS
Thermisches Management
ANSYS
Strömungsmechanik
Thermisches Management
Strömung
ANSYS verfügt über effiziente Speziallösungen für die Kühlungssimulation von elektronischen Komponenten, Leiterplatten und kompletten
elektronischen Geräten. Die Detailanalyse von Bauteilen im Chipgehäuse
basierend auf Daten aus ECAD-Systemen, ermöglicht das Erreichen einer optimalen thermischen Konstruktion, sowie die Ableitung von
Kompaktmodellen.
ANSYS CFD ist nahtlos in ANSYS Workbench integriert, bietet jedoch
nach wie vor auch die wichtigsten Werkzeuge (ANSYS CFX, ANSYS FLUENT, etc.) als Einzellösungen. ANSYS CFX und ANSYS FLUENT bieten
einen enormen Funktionsumfang für anspruchsvolle Strömungssimulationen.
Produkt
• ANSYS Icepak
Produkt
• ANSYS CFD
Infoplaner 02/2010
ANSYS
Komplementäre CAE-Software zu ANSYS
Diese Produkte sind standalone oder als in ANSYS integrierte bzw. über Schnittstellen eng angebundene Lösungen erhältlich.
Explizite Strukturmechanik
LS-DYNA mit LS-OPT und LS-PrePost stehen insbesondere für Simulationsanwendungen in den Bereichen
Crash und Metallumformung.
www.cadfem.de/ls-dyna
Optimierung/Robustheit
optiSLang ist eine Software für die parametrische Sensitivitätsanalyse, multidisziplinäre Optimierung, Zuverlässigkeits- und Robustheitsbewertung sowie für die Robust Design Optimierung.
www.dynardo.de
Materialdesign
DIGIMAT ist als eigenständiges virtuelles Materiallabor einsetzbar, als Materialschnittstelle in strukturmechanischen Rechnungen mit ANSYS und LS-DYNA oder als vollständiges Interface zwischen Spritzgusssimulation und Strukturmechanik.
www.cadfem.de/materialdesign
Lackierprozesse
VirtualPaintShop®
VirtualPaintShop (VPS), ursprünglich von CADFEM für die BMW Group entwickelt, ermöglicht die rechnerische Simulation des gesamten Lackierprozesses von Fahrzeugkarosserien und anderer Strukturen.
www.virtualpaintshop.com
Biomechanik
Mit AnyBody kann die Mechanik des menschlichen Bewegungsapparates unter Berücksichtigung der Muskeln analysiert werden. Damit sind z.B. Aussagen über Muskel- oder Gelenkkräfte, die elastische Energie in
Sehnen oder die antagonistische Muskelaktivität möglich. In der Kombination mit ANSYS können so auf
Implantate und Prothesen wirkende Kräfte berechnet werden .
www.cadfem.de/anybody
Akustik
ACTRAN von der Firma FFT ist ein umfangreiches Softwarepaket für die Berechnung von Akustik, VibroAkustik und Aero-Akustik.
www.cadfem.de/actran
Differentialgleichungen
Diffpack, ein Produkt der inuTech GmbH, ist eine objektorientierte Klassenbibliothek für die Lösung von u.a.
stochastischen Differentialgleichungen, die Implementierung von gekoppelten Systemen.
www.diffpack.com
Blechumformung
Die FTI Forming Suite ist ein modulares Programmpaket zur Bewertung der Umformbarkeit von Blechbauteilen, zur Berechnung von Platinenzuschnitten, Platinenschachtelung, Schachtelung von Folgeverbundprozessen und Optimierung von Materialkosten. FTI Forming Suite Produkte sind standalone und CADintegriert (u.a. CATIA) verfügbar.
www.cadfem.de/fti
Ihre Ansprechpartner zu ANSYS Software und Dienstleistungen bei CADFEM:
Deutschland
CADFEM GmbH
Schweiz
CADFEM (Suisse) AG
Österreich
CADFEM (Austria) GmbH
Oder CAE-Line
(Freecall) 0800-CADFEM
(alternativ: 0800-1-22 33 36)
Software
Software
Dr.-Ing. Volker Bäumer
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51
Markus Dutly
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02
Alexander Dopf
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-14
Seminare
Hardware
Seminare
Seminare
Thomas Nelson
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-47
Manfred Bayerl
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39
Dr.-Ing. Davide Valtorta
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01
Dr.-Ing. Bernhard Hößl
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-11
Berechnung im Auftrag
Dr.-Ing. Marold Moosrainer
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45
Philipp Huber
Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06
Christoph Schlegel
Tel. +43 (0) 1-5 87 70 73-12
Software
Infoplaner 02/2010
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ANSYS
Vernetzung strukturmechanischer
Modelle in ANSYS Workbench
Soll ein Bauteil vernetzt werden, muss der Anwender abwägen: Zum Einen soll die Vernetzung fein genug
sein, um den Diskretisierungsfehler so gering wie möglich zu halten. Andererseits soll die Berechnung wirtschaftlich sein. Doch mit der Anzahl der Elemente steigen auch die Rechenzeit und der Speicherbedarf.
ANSYS Workbench unterstützt den Anwender dabei, den besten Kompromiss zu finden.
Neben der Netzfeinheit wirkt sich auch die
Elementform auf die Ergebnisgüte aus. Je
idealisierter die verwendeten Elementformen sind, desto genauer sind die Berechnungsergebnisse. Dem gegenüber stehen
die ungleich komplexeren Formen, die die
Bauteile in der Realität tatsächlich haben.
ANSYS Workbench Mechanical lässt auch
hier den Anwender nicht alleine, sondern
unterstützt ihn über verschiedene Optionen der Vernetzungssteuerung, den für
eine bestimmte Berechnungsaufgabe besten Kompromiss zu finden.
Volumenmodelle
Für komplexe Volumenmodelle stehen zwei
Tetraeder-Vernetzer zur Verfügung. Beide
verwenden zur Sicherstellung der Ergebnisqualität Elemente mit quadratischer Ansatzfunktion.
• Flächenabhängiger Tetraeder-Vernetzer: Hier wird grundsätzlich jede
Geometrie, die im Modell existiert, mit
Knoten und Elementen versehen. Lässt
man die Elementgröße durch die komplexe interne Steuerung automatisch
bestimmen, ist dieser Vernetzer ideal,
um die Gesamtsteifigkeit eines Modelles richtig abzubilden.
• Flächenunabhängiger Tetraeder-Vernetzer: Liegt der Schwerpunkt nicht auf
der detailgetreuen Abbildung der Geometrie, bietet sich dieser Vernetzer an.
Hier wird eine minimal und eine maximal zu verwendende Elementgröße an-
Bild 1: Tetraeder-Vernetzung
36
Infoplaner 02/2010
gegeben. Zusätzlich kann auch eine minimale Länge definiert werden, um kleine Details zu ignorieren.
Auch die Möglichkeit einer weitgehend automatisierten Hexaeder-Vernetzung in
ANSYS Workbench wird ständig weiterentwickelt. In der aktuellen Version ANSYS
12.1 steht schon eine Vielzahl an Methoden zu Verfügung:
• Sweepmethode: Diese Vernetzung wird
seit langem automatisch verwendet,
wenn die Volumenkörpern zwei gegenüber liegende Flächen gleicher Topologie besitzen und die restlichen Seitenflächen alle strukturiert vernetzbar sind.
• Thin-Sweep Methode: Diese Methode wurde vorrangig für die Vernetzung
mit Solid-Shell Elementen entwickelt.
Hier muss es gegenüber liegende Flächen
geben, die aufeinander projiziert werden können. In die Sweep-Richtung darf
es nur durchgehende Rechtecke geben.
Verwendbar sind sowohl Solid-Shell, als
auch Solid-Elemente.
• Multi-Zone Methode: Basierend auf
ICEM-HEXA wird hier die komplexe Geometrie in unsichtbare Zellen unterteilt,
die für sich alleine automatisch mit Hexaeder-Elementen gefüllt werden können.
Bild 2: Hexaeder-Vernetzung
Das Ergebnis der Vernetzung ist eine
Kombination des Netzes dieser einzelnen Zellen. Zwar ist die maximale Anzahl
der automatisch definierten Zellen noch
eingeschränkt, aber die Weiterentwicklung dieser Methode ist im Gange.
• Hex-Dominant Methode: Hier ist das
Ziel, möglichst viele Hexaeder-Elementen in einer unregelmäßigen Struktur zu
erzeugen. Können einzelne HexaederBereiche mit anderen nicht mittels Hexaeder-Elementen verbunden werden, werden dazu Pyramiden- und Tetraeder-Elemente verwendet.
Schalenmodelle
Für Schalenmodelle können ebenfalls
flächenabhängige oder flächenunabhängige Vernetzer verwendet werden:
• Quadrilateral Dominant: Dieser Vernetzer ist flächenabhängig. Er erzeugt
weitestgehend quadratische Elemente,
vereinzelte Dreiecke können entstehen,
wenn kein Übergang erzeugt werden
kann.
• Uniform Quad und Uniform Quad/
Tri: Diese beiden Vernetzer sind flächenunabhängig. Neben einer „Defeature Toleranz“‚ die angibt, welche kleinen Geometriedetails vernachlässigt werden können, gibt es die Möglichkeit Durchbrüche
in der Struktur automatisch zu schließen.
Bild 3: Vernetzung eines Schalenmodells
ANSYS
Bild 4: Vergleich einer vernetzten Geometrie ohne (links) und mit (rechts) „Pinch“.
Umgang mit irrelevanten
Geometriedetails
Häufig enthalten Geometrien Details, die
in der Berechnung vernachlässigbar sind.
Manche kleine Fläche bzw. kurze Linie hat
darüber hinaus sogar einen negativen Einfluss auf die Vernetzbarkeit. ANSYS Workbench Mechanical verfügt über verschiedene Möglichkeiten, damit solche Details
ignoriert werden.
• Über eine globale „Defeature“- Toleranz
ist die Länge definierbar, unterhalb derer
kleine Geometriedetails „übersprungen“
werden.
• Mit dem „Pinch-Tool“ können gezielt
Bereiche zwischen einzelnen Punkten
oder auch Linien ignoriert werden. Man
kann diese Stellen sowohl manuell definieren, als auch automatisch über einen
anzugebenden Toleranzwert erzeugen
lassen.
• Desweiteren kann man mit Virtuellen
Zellen einzelne Bereiche zusammenfassen. Trotz der Verwendung einer flächenabhängigen Methode sind damit lokal
flächenunabhängige Netze möglich.
Lokale Vernetzung
Neben der Notwendigkeit, die globale Steifigkeit richtig abzubilden, werden in der
Strukturmechanik häufig lokale Span-
nungsgradienten berechnet. Die Vernetzung der relevanten Bereiche kann selten
sinnvoll über globale Einstellungen der
Netzfeinheit gesteuert werden. Die beste
Methode ist hier, im ersten Schritt das gesamte Modell mit globalen Einstellungen
zu berechnen. An den nun sichtbaren
Bereichen hoher Spannung können in einem zweiten Schritt durch lokale Vernetzungseinstellungen Modelle erzeugt werden, die den hohen Spannungsgradient
ideal abbilden.
Auch hier bietet ANSYS Workbench eine
Auswahl an Möglichkeiten, um eine solche lokale Vernetzung zu steuern. Die bevorzugten Methoden sind:
• Die Erzeugung von Randschichtelementen über „Inflation“. Basierend auf den
an der Oberfläche existierenden Elementformen werden Prismen- bzw. Hexaeder-Elemente erzeugt. Man kann
sowohl die Anzahl der zu erzeugenden
Elementlagen als auch die Elementdicke
angeben.
• Alternativ wählt man die Einstellung der
Netzgröße mit Hilfe der „Advanced Size
Functions“. Damit kann unter anderem
eine genaue Übergangsrate von fein vernetzten zu grob vernetzten Bereichen
angegeben werden, womit sich der
Spannungsgradient ins Modellinnere
ebenfalls exakt abbilden lässt.
• Eine weitere Möglichkeit ist die Angabe
der Bereiche mit feiner Vernetzung über
„Sphere of Influence“. Hierzu wird eine
virtuelle Kugel spezifiziert, die sich in dem
interessanten Bereich mit dem zu vernetzenden Bauteil überlappt. Dieser Bereich wird nun mit der kleinen Elementkantenläge vernetzt.
• Desweiteren kann über „Refinement“
eine Verfeinerung, basierend auf ein global gesteuertes Netz, erzeugt werden.
Diese Option wird automatisch verwendet, wenn eine Konvergenzkontrolle auf
einen bestimmten Bereich angeben wird.
Hier wird die Verfeinerung so oft durchgeführt, bis die Änderung des interessanten Ergebnisses unterhalb des angegebenen Konvergenzkriteriums liegt.
Neben den beschriebenen Optionen stehen in ANSYS Workbench Mechanical noch
einige weitere Besonderheiten zur Verfügung, wie z.B. die automatische Verfeinerung an definierten Kontaktstellen oder
auch die Möglichkeit, eine strukturierte
Vernetzung gezielt vorzugeben. Auch für
die Zukunft ist die Weiterentwicklung der
Vernetzung bei ANSYS als ein vorrangiges
Ziel definiert worden, so dass man auch für
die stetig wachsenden Aufgabenstellungen schnell Netze erzeugen kann, die der
Problemstellung und den Ressourcen an<<
gepasst sind.
✒|
Autor
Elisabeth Treml, CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-14
!
| Veranstaltungshinweise
■ Seminar
ANSYS DesignModeler und ANSYS
Workbench Vernetzung – von der
Geometrie zum optimalen Netz
15. – 17. September 2010 in Aadorf
(CH, Bodenseeraum)
22. – 24. September 2010 in Wien
10. – 12. November 2010 in Dortmund
24. – 26. November 2010 in Wien
Details, Kosten, Anmeldung:
Bild 5: Lokale Netzverfeinerung: Randschichtelemente
Bild 6: Lokale Netzverfeinerung: Growth Rate
Infoplaner 02/2010
37
ANSYS
Robuster simulieren in ANSYS Workbench
Zentrale Aufgabe der Simulation ist es frühzeitig Designs zu bewerten und mögliche Schwachstellen aufzudecken. Welche Variation eines Designs ist vielversprechend? Mit welchen Modifikationen wird ein Design
günstiger und leistungsstärker? Die wichtige Frage, ob Berechnungsergebnisse auch verlässlich sind, wenn
bei maßgeblichen Faktoren Streuungen auftreten, bleibt dagegen manchmal unbeantwortet – obwohl
ANSYS auch hier effiziente Werkzeuge bietet.
Vor allem Materialkennwerte und Lasten
unterliegen in der realen Welt oft schwer
kontrollierbaren Streuungen, die nur teilweise durch Normenwerke abgefangen werden. Wie überall, wo die Realität in einem
Modell abgebildet wird, bleibt aber auch bei
der numerischen Simulation ein „Restrisiko“: Werden die errechneten Vorhersagen
immer genau so eintreten oder führt bereits
eine geringe Toleranz beim Material, der
Geometrie oder den Lasten zu einem signifikant anderen Ergebnis in Wirkungsgrad,
Spannung oder Lebensdauer?
variiert, ergibt sich für die Anpresskräfte
ein völlig anderer Kurvenverlauf, als wenn
zusätzlich auch die Dicke der Schalterplatten verändert wird. Berücksichtigt man nun
auch noch die Breite, so sind die Auswirkungen von einzelnen Änderungen auf das
Modell kaum noch nachvollziehbar.
ANSYS Workbench ist gerüstet!
Eine durchgängige parametrische Prozesskette, die vom CAD-Modell über automatisiertes Preprocessing, erstklassige Solvertechnologie bis hin zu automatischen Auswerteroutinen und Bewertungstools für Le-
Dem Simulationsingenieur
stehen verschiedene Methoden und Werkzeuge zur
Verfügung, um solche Unsicherheiten zu erkennen und
auf ein Minimum zu verringern:
• Die Bestimmung der treibenden Konstruktionsparameter (Sensitivitäten)
• Die Berücksichtigung streuender Parameter (Robustheitsanalyse)
• Die Darstellung der Zusammenhänge von Variationen (Antwortflächen,
Postprocessing von Sensitivitäten)
Bild 1: Prozesskette in ANSYS Workbench
• Die Ermittlung optimaler
bensdauerberechnungen reicht, ist die BaDesigns (Optimierung unter gleichzeitisis, um Streuungswerte adäquat berückger Berücksichtigung der Robustheit)
sichtigen zu können. In diese Prozesskette,
die man aus ANSYS Workbench kennt, könFür alle Methoden gilt, dass grundsätzlich
nen leistungsstarke Werkzeuge für die gemehrere Parametervariationen berücksichnannten Fragestellungen integriert werden:
tigt werden müssen. Beispiel elektrische
ANSYS DesignXplorer als Einstiegstool und
Steckkontakte: Diese müssen sowohl im
optiSLang, ein Produkt der Dynardo GmbH,
unbestromten als auch im bestromten Zuals weiterführende Lösung. Beide greifen
stand mechanisch geschlossen bleiben und
ungeachtet der gewählten Physik direkt auf
dürfen beim Aufschieben eine bestimmte
die parametrische Prozesskette von ANSYS
Aufsteckkraft nicht überschreiten. Wird z.B.
Workbench zu. Die zusätzlichen FE-Beein Radius an diesem Kontakt schrittweise
38
Infoplaner 02/2010
rechnungen können parallel verteilt werden, so dass die Rechenzeit überschaubar
bleibt.
Mit ANSYS DesignXplorer werden direkt
in der ANSYS Workbench Umgebung
• auch für mehr als 20 Eingangsparameter die treibenden Parameter ermittelt,
• schnelle Variantenstudien vorgenommen
und Zusammenhänge dargestellt und
• Vorschläge für das optimale Design angezeigt.
optiSLang geht einen Schritt weiter:
Ziel ist, mit der geringstmöglichen Anzahl an FE-Berechnungen die maximale Aussagekraft
und Ergebnisgenauigkeit zu erreichen.
Über die Funktionen des DesignXplorers
hinaus bietet optiSLang hoch effiziente
Strategien für alle üblichen Klassen von
Optimierungsaufgaben. Die Algorithmen
zur Bewertung von Robustheit, Ausfallwahrscheinlichkeiten und schließlich sogar
der automatischen Optimierung unter
Berücksichtigung der Robustheit machen
optiSLang zum wohl leistungsfähigsten
Werkzeug auf dem Markt. Die komplexe
Mathematik ist durch Automatismen und
intelligente Vorbelegung der Steuerparameter anwenderfreundlich und effektiv umgesetzt.
Sensitivitäten
Jede Variantenstudie beginnt mit der Sensitivitätsanalyse. Damit sind schnell richtungsweisende Aussagen möglich, z.B. darüber, welche Parameter maßgeblichen Einfluss auf ein Ergebnis haben. Ersichtlich
wird auch, welche Ergebnisse z.B. aufgrund
ANSYS
schlechter Vernetzung ohne Aussagekraft
sind und eventuell überdacht werden müssen. Eine Sensitivitätsanalyse identifiziert
also vor der eigentlichen Optimierung solche Faktoren, die vor dem Produktionsprozess einer besonderen Qualitätsprüfung
unterzogen werden sollten. Außerdem filtert die Sensitivitätsanalyse unwichtige Parameter heraus. So kann der Einstieg in die
Optimierung mit einem reduzierten Satz
an Eingangsgrößen erfolgen, was ihre Effizienz weiter erhöht.
Robustheit
Sind Parameter nicht als Optimierungs- sondern als Streuparameter definiert, so gibt
die Sensitivitätsanalyse auch schon Hinweise zur Robustheit. Schmale hohe Spitzen im Ergebnisplot stehen für eine hohe
Wahrscheinlichkeit, dass ein Ergebniswert
trotz Variation der Eingangsgrößen stabil
erreicht wird. Breite Verteilungen deuten
dagegen auf ein breites Spektrum an möglichen Ergebnissen hin.
Eine automatische Optimierung setzt sich
aus verschiedenen Objekten zusammen.
Zunächst gibt es die Zieldefinition und Nebenbedingungen. So soll beispielsweise die
Masse unseres Steckkontaktes minimiert
werden bei einer Anpresskraft im Kontakt,
die nie kleiner als 10 N sein darf. Grundsätzlich können auch mehrere, sich widersprechende Ziele definiert werden: Minimiere die Masse UND maximiere die Eigenfrequenz. Diese Mehrzieloptimierung
führt zu einer nicht eindeutigen Lösung.
Der Anwender kann sich selbst ein Bild über
Bild 5: Antwortfläche aus optiSlang
eine so genannte Pareto-Optimierung von den möglichen Varianten machen und eine geeignete Variante wählen.
Antwortflächen
Der entscheidende Teil der Optimierung sind die Optimierungsalgorithmen selbst. Hier
gibt es verschiedene Klassen:
• Gradientenbasierte Verfahren
verwenden Richtungsableitungen und orientieren sich in
die am meisten versprechende Richtung;
• der Natur abgeschaute evolutionäre Strategien „vererben“
Eigenschaften von Generation zu Generation, wobei nur wirklich gute Eigenschaften Bestand haben.
Diese Verfahren können direkt auf den FEBerechnungen basieren, was mit einem
großen Zeitaufwand einher geht. Zwischenmodele geben dagegen das tatsächliche Verhalten von Eingangsgröße zu Ergebnisgröße mittels mathematischer Funktionen wider und sind damit eine sehr viel
schnellere Lösung. Es bedarf keiner weiteren FE-Berechnungen, stattdessen werden
die Ergebnisse „virtuell“ auf der sogenannten Antwortfläche ermittelt und stehen durch die einfache mathematische Beschreibung sofort zur Verfügung.
Bild 4: Mathematisches Interpolationsmodell Kriging
Optimale Designs
Sowohl ANSYS DesignXplorer als auch
optiSLang bieten diese globalen Antwortflächen. optiSLang verfügt noch über weitergehende Möglichkeiten. So können Antwortflächen zusätzlich automatisch um ein
„Zielgebiet“ herum verfeinert werden, um
das Ergebnis zu verbessern und damit die
Aussagekraft der Antwortfläche dort zu
erhöhen, wo das optimale Design liegt.
Außerdem existieren intelligente Automatismen, die aus einer Fülle von möglichen Antwortflächen die beste herausfiltern und die Aussagekraft quantifizieren.
<<
Diese Metamodelle versuchen auf Basis einer möglichst geringen Anzahl von FE-Berechnungen ein mathematisches Interpolationsmodell (z.B. Kriging) oder
Approximationsmodell (z.B. 2nd Order Response Surface) zu errechnen,
das dann als alleinige Grundlage für
die Optimierung genutzt wird.
Neben dem Zeitgewinn für die Optimierung haben Antwortflächen
auch den Vorteil, dass dem Anwender das Design im Designraum grafisch veranschaulicht wird. Verbesserungspotenzial wird schnell erkennbar, zudem können Optimierungen durch die hohe Auswertegeschwindigkeit beliebig oft mit unterschiedlichen Einstellungen, Nebenbedingungen und Zielen vorgenommen werden.
✒|
Autor
Marc Vidal, CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-18
!
| Veranstaltungshinweis
■ Seminar
Optimierung, Zuverlässigkeitsanalyse
und Robust Design mit optiSlang und
Workbench
6. – 7. September 2010 in Aadorf
(CH, Bodenseeraum)
14. – 15. September 2010 in Stuttgart
Details, Kosten, Anmeldung:
Infoplaner 02/2010
39
ANSYS
ANSYS Workbench und FFT ACTRAN
Neue Perspektiven in der Akustik-Berechnung
Die Vorhersage der Entstehung und Ausbreitung von Schall ist nicht nur für den Lärmschutz sondern auch für
die Performance von Klangerzeugern wie Hifi-Komponenten oder Messsensoren von Interesse. ANSYS
Workbench und ACTRAN von Free Field Technologies (FFT) bilden dafür die perfekte Einheit aus effizientem
Preprocessing und modernster Solvertechnologie.
Dynamische Analysen an Festkörpern sind
In ANSYS längst gängige Praxis. Mit Frequenzganganalysen aus ANSYS oder transienten Strömungslösungen aus ANSYS
CFD lassen sich verschiedene Arten der
Schallentstehung berechnen und somit die
Eingaben für akustische Nah- und Fernfeld-Analysen. Die komfortable ANSYS
Workbench Umgebung lässt sich aber
nicht nur für diese Aufgaben nutzen, sondern auch für das Preprocessing für weiterführende Akustikberechnungen mit dem
Programm ACTRAN.
ACTRAN von FFT ist das wohl umfangreichste Softwarepaket für die Berechnung
von Akustik, Vibro-Akustik und Aero-Akustik. Unter Verwendung von finiten
(Innenraumakustik und Nahfeld) und
infiniten Elementen (für Schallabstrahlung
ins Fernfeld) bietet ACTRAN eine einzigartige Bandbreite an Randbedingungen,
Quellen und Stoffeigenschaften. Absor-
akustikspezifischen Netz berechnet. Der
Pre- und Postprozessor ACTRAN VI stellt
neben der Vorbereitung der Simulation
leistungsstarke Werkzeuge zur Ergebnisauswertung bereit. Die visuelle Darstellung
und Animation des Druckfeldes durch
Schnitte, Konturplots und Isoflächen sowie Frequenzgang- und Wasserfalldiagramme werden ebenso angeboten wie
die quantitative Auswertung und der Vergleich der Ergebnisse bei verschiedenen
<<
Frequenzen.
Merkmale der Akustiklösung mit ANSYS Workbench
und ACTRAN:
• Poro- und viskoelastische Materialen (typische akustische Absorbermaterialien)
• Piezo-elektrische, viskothermische Elemente
• Durchschallung von Multilayer-Composites
• Random Vibration Randbedingungen,
z.B. diffuses Schallfeld (Hallraumtest),
turbulente Grenzschichten oder Auftreffen von Regen
• Direkter und iterativer Löser – hocheffizient, parallelisiert
✒|
Autor
Autor und Ansprechpartner zu Akustik
• Einheitliche Geometrie- und Netzvorbereitung, parametrisierbare Infrastruktur
in ANSYS Workbench
• Direkter Transfer von Simulationsergebnissen aus ANSYS (ab Professional) und
ANSYS CFD
Steffen Peters, CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-30
!
Akustische Analysen mit
ANSYS Workbench und ACTRAN
■ Seminar
Einführung in die Akustiksimulation
mit ANSYS Workbench und ACTRAN
Bild1: Harmonic Response Analyse eines Kolbenmotors in ANSYS Mechanical (links) und Schalldruck in der Umgebung des Motors
www.cadfem.de/seminare/akustik
in ACTRAN Acoustics (rechts). Die frequenzabhängigen Verschiebungsamplituden wurden aus ANSYS importiert.
■ Akustik auf dem CADFEM Users’ Meeting
bierende bzw. dämpfende Materialien wie
Dämmmatten, Schäume oder Textilien sowie heterogene Materialmodelle für die
Transportmedien lassen kaum Wünsche
offen.
Als Schallquellen können ANSYS FEM- und
CFD-Ergebnisse importiert werden. Die
Akustiklösung wird von ACTRAN schnell
und effizient auf einem unabhängigen
40
Infoplaner 02/2010
• 3D Akustikberechnung in ruhenden und
bewegten Medien und Durchschallung
von Körpern
• Extraktion akustischer Moden
• Berücksichtigung von Dissipation, viskothermischen Verlusten und Absorption
• Druck-, Geschwindigkeits- und Impedanz-Randbedingungen
• Ebene, zylindrische und sphärische Quellen
• Vortragssession „Akustik“
am Donnerstag, 4. November 2010
• Kompaktseminar „Akustik Simulation:
ANSYS Workbench und ACTRAN“
am Freitag, 5. November 2010
Weitere Informationen
Weitere Informationen
www.cadfem.de/akustik
ANSYS
Integrative Werkstoffmodellierung
von Kunststoffen in ANSYS Workbench
Das Thema DIGIMAT geht bei CADFEM mittlerweile in sein drittes Jahr. Die Software zur Mikromodellierung
von Materialien hat innerhalb der Firma und bei den CADFEM Kunden inzwischen erfolgreich Fuß gefasst.
Heute steht breites Know-how zur effektiven Anwendung von DIGIMAT zur Verfügung. Aber auch auf unternehmerischer Seite wachsen die Herstellerfirma e-Xstream und CADFEM noch enger zusammen.
Wieder ist ein halbes Jahr vergangen und
wieder wartet e-Xstream mit einer neuen
Version von DIGIMAT auf. Der Fokus von
DIGIMAT 4.0 liegt auf der Integration von
DIGIMAT in ANSYS Workbench 12.1. In
Workbench 12.1 steht jetzt ein eigener
Wizard zur Verfügung, mit dem in der integrativen Kopplung zwischen Spritzguss
und Strukturmechanik die Faserorientierung im Bauteil in die ANSYS Analyse überführt wird. Zusätzlich ist eine große Hürde
im praktischen Einsatz von DIGIMAT gefallen: DIGIMAT 4.0 bettet seine Materialbeschreibung jetzt über dynamische Bibliotheken in ANSYS ein. Die Installation
der Software hat sich damit deutlich vereinfacht.
Verbessertes Pre- und Postprocessing
Die übrigen Neuigkeiten in DIGIMAT
zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass
sie dem Anwender das Pre- und Postprocessing der integrativen Simulation deutlich erleichtern. Fast schon notgedrungen
sind diese Punkte in der Funktionalität des
Mappings zu finden. Am besten lässt sich
die Praxisrelevanz der Neuerungen in einem kleinen Anwendungsbeispiel verdeutlichen.
Welcher Kunststoffkonstrukteur kennt diese
Situation nicht? Zur Befestigung und Montage von Bauteilen lassen sich Bohrungen
für Verschraubungen nicht vermeiden.
Damit treten zeitgleich allerdings auch
Schwierigkeiten auf. Man „zwingt“ die Polymerschmelze im Spritzgussprozess automatisch dazu, entsprechende geometrische
Features zu umfließen. Zwangsläufig werden so Binde- oder Fließnähte in das Bauteil eingebracht. Beides sind potentielle
Schwachstellen unter struktureller Last. Es
ist also absolut notwendig, diesen Stellen
in der Strukturanalyse besondere Aufmerksamkeit zu schenken.
42
Infoplaner 02/2010
Bild 1 zeigt ein generisches Modell für
diese Situation. Der
Anspritzpunkt liegt
in der oberen, rechten Ecke. Das Einbringen der Kunststoffschmelze und
Umfließen der Bohrung erzeugt in der
linken unteren Ecke
eine Bindenaht. Diese wird in der FEM
Simulation unter
Zug belastet und
sollte in der Auswertung deutlich als
schwächste Stelle im
Bauteil zu sehen
sein.
Bild 1: Modelluntersuchung einer Bohrung in einem im Spritzguss hergestellten Bauteil. Der Anspritzpunkt liegt in der oberen rechten Ecke. Durch den Spritzgussprozess entsteht gegenüberliegend eine Bindenaht, die unter Zug belastet wird.
Mit DIGIMAT erfolgt
eine Auswertung
der FEM nie unabhängig von der Lage
der Glasfasern. Gerade die Verstärkung
durch die Fasern erzeugt die ausgeprägte und lokal unterschiedliche Anisotropie in den Materialeigenschaften,
die sich in den be- Bild 2: Seit DIGIMAT 4.0 lässt sich die Orientierung auf dem Netz der Strukturanalyse in ellipsoirechneten Eigen- daler Form abbilden (rote Ellipsoide entsprechen einer starken Ausrichtung von Glasfasern,
schaften widerspie- blaue Regionen weisen eine nahezu isotrope Verteilung auf). Das Ergebnis sind Plots, aus denen
geln. Das Map Mo- sich intuitiv der Fluss der Polymerschmelze und somit auch die Lage der Glasfasern im Bauteil
dul 4.0 visualisiert nachvollziehen lassen. Deutlich zu erkennen sind der Anspritzpunkt und die gegenüberliegende
die Orientierungen Bindenaht.
in Form von Tensor
Solche Abbildungen, für die Anwender von
Ellipsoiden. Diese Form der Darstellung erSpritzgusssoftware nichts Neues, stellen in
zeugt sehr intuitive Plots, die auf einen Blick
Ihrer Konsequenz für die Auswertung indie Faserlage und damit indirekt den Weg
tegrativer Berechnungen einen eindeutider Schmelze durch das Bauteil verdeutligen Mehrwert dar. Sie zeigen die Faserlage
chen (Bild 2).
ANSYS
so, wie sie auf das Strukturnetz gemappt
und tatsächlich in der FEM verwendet wurde. Verglichen wird sie mit den üblichen
Auswertungsgrößen der FEM. Die Auswertung erfolgt also nicht mehr länger unabhängig vom Material bzw. dem Prozess der
Herstellung.
sie die Spannungen der umliegenden Umgebung abbauen. Damit verstärken sich die
Dehnungen allerdings selbst, so dass das
Bauteil an dieser Stelle versagt. Aus diesem
Grund werden bei Kunststoffen generell
scharfe Ecken durch Einbringen großer Radien in der Konstruktion vermieden.
Bild 3 zeigt für unser einfaches Beispiel den
Plot der Gesamtverformung, der 1. Hauptspannungen und der 1. Hauptdehnungen.
Dieselbe Argumentation gilt auch bei unserem Beispiel, nur dass die Ursache für die
Dehnungen tiefer liegt, nämlich in der Mikrostruktur des Materials. Bereiche mit
niedrig orientierten
Glasfasern
weisen
schwächere Materialeigenschaften auf und
reagieren auf Belastung
als erste mit hohen
Dehnungen. Genau
wie im zuvor genannten Beispiel geht das
Versagen auch hier von
diesen am meisten geschwächten Bereichen
im Bauteil aus.
Das Beispiel zeigt deutlich, dass bei aller neuen Technologie die Eranisotrop nichtlineare Polymer das Mittel der Wahl. Die Ergebnisse der Hauptdehnung
fahrung und der Transspiegeln exakt die Faserlage aus dem Spritzguss wieder (Vergleich mit Bild 2).
fer von Wissen die eiDie hohen Dehnungen in der Bindenaht kommen deutlich zum Vorschein.
gentlich wichtige Rolle
in der Anwendung spielt. Ohne einen reMit dem entsprechenden Wissen um die
gen Austausch zwischen Kunden, SoftFaserlage lässt sich die Bindenaht im Dewareanbietern und Softwareherstellern ist
formationsplot wiederfinden (Vergleich zwijedes neue Technologiethema zum Scheischen Bild 2 und 3). Geht man allerdings
tern verurteilt. Und gerade in diesem Punkt
über zu einer Auswertung der Spannungibt es zwischen e-Xstream und CADFEM
gen, so erkennt man lediglich eine Asymeine für ANSYS Kunden interessante Entmetrie im auftretenden Muster in Bezug
wicklung.
auf die Spiegelebene in XY Lage. Bei isotropem Material würde die Abbildung in BeCADFEM und e-Xstream
zug auf diese Ebene symmetrisch sein. Zu
Dr. Jan Seyfarth, den regelmäßigen Lesern
einer wirklichen Identifizierung der kritides Infoplaners bekannt als zentrale Figur
schen Bereiche im Bauteil kommt es allerim Aufbau des Themas DIGIMAT und Muldings erst bei Betrachtung der 1. Hauptdehtiskalensimulation bei CADFEM, ist zum
nung. Die Ergebnisse zeigen sofort die kriSeptember 2010 zu e-Xstream gewechselt.
tische Bindenaht und andere Bereiche, in
Dort wird er sich als Produktmanager für
denen hohe Dehnungen auftreten.
die Software DIGIMAT stark machen. Um
es mit den Worten von Roger Assaker, CEO
Der Grund für dieses deutliche Hervortrevon e-Xstream engineering, zu sagen: „Jan
ten der kritischen Stellen liegt neben der
will be bringing with him a strong
Anisotropie vor allem in der Nichtlinearität
experience with DIGIMAT and ANSYS
des Materials. Dem Kunststoffkonstrukteur
customers, a deep knowledge of ANSYS
ist der Effekt nicht fremd: werden scharfe
products and an insider strong contacts
Ecken in ein Bauteil eingebracht, so wirken
with the CADFEM team. For e-Xstream,
die hier auftretenden Dehnungen, indem
Bild 3: Bei der Auswertung von DIGIMAT Analysen ist die 1. Hauptdehnung für das
this is a strong commitment to our strategic long-term partnership with CADFEM,
to DIGIMAT interoperation with the ANSYS
product suite and to an even closer service
to the German speaking Customers.”.
Aber natürlich geht es auch bei CADFEM
mit DIGIMAT weiter. Die Nachfolge als
zentraler Ansprechpartner für alle Fragen
rund um die Software tritt Martin Kracht
an, der aus seinen langjährigen Erfahrungen im Projektbereich von CADFEM ein
breites Wissen zu Composite Materialien
in das Thema einbringt und jetzt das Service-Team verstärkt. Damit ist er perfekt
geeignet, auch in Zukunft den ANSYS
Kunden in allen Fragen zur integrativen
Berechnung Rede und Antwort zu stehen.
Das natürlich in engster Zusammenarbeit
mit der deutschen Vertretung von e-Xstream
<<
engineering.
✒|
Autor
Autoren und Ansprechpartner
Martin Kracht, CADFEM GmbH Hannover
Tel. +49 (0) 511-39 06 03-13
Dr. Jan Seyfarth, e-Xstream engineering
!
Spritzgussbauteile in der Strukturmechanik – Integrative Kopplung
mit DIGIMAT
■ Schnuppertraining
DIGIMAT – Nichtlineare Berechnung von
Composite-Materialien
Details, Termine, Kosten, Anmeldung
www.cadfem.de/schnuppertrainings
■ Messehinweis
DIGIMAT auf der Materialica 2010
19. – 21. Oktober 2010, Messe München
Sie finden uns am Stand von Bayern
Innovativ, Halle B6 Stand 402
Infoplaner 02/2010
43
CAE-Weiterbildung
esocaet setzt neue Standards
In den letzten Jahren hat sich der Name esocaet als Markenzeichen für
CAE-Weiterbildung bei immer mehr Mitarbeitern im Simulationsumfeld
etabliert. esocaet (European School of Computer Aided Engineering
Technology) steht für ein Konzept umfassender Weiterbildung, die
unabhängig vom Einsatz einer bestimmten Software-Anwendung im
Bereich der CAE-Technologien angeboten wird.
Berufsbegleitend zum
Master of Engineering
Erweitern Sie Ihr Wissen im Bereich
der Simulation mit dem Masterstudiengang „Applied Computational
Mechanics“. Die Hochschulen
Landshut und Ingolstadt bieten
dieses Studium speziell für berufstätige Ingenieure seit dem Jahr
2005 in Kooperation mit esocaet an.
Dabei werden sowohl die theoretischen
Grundlagen als auch die methodischen Herangehensweisen berücksichtigt. Jedoch stehen die praktischen Anwendungen im Mittelpunkt des Ausbildungsangebotes, das
neben dem zweijährigen berufsbegleitenden Masterstudiengang „Applied Computational Mechanics“ (siehe rechts) ein dreimonatiges CAE-Training „eFEM für Praktiker“ (siehe nächste Doppelseite) sowie
eine Bandbreite an ein- und mehrtägigen
Seminaren umfasst.
Dieses Weiterbildungskonzept richtet sich
an Simulationsinteressierte, unabhängig
davon welche Software-Lösung in ihrem
Unternehmen im Einsatz ist beziehungsweise eingeführt werden soll. Die technologieorientierte Weiterbildung vermittelt
detailliertes CAE-Fachwissen anhand von
praxisbezogenen Beispielen, die aus den
unterschiedlichsten Branchen stammen.
Die anwendungsorientierte Vielfalt lässt
sich auch an den Unternehmen ablesen,
aus denen die Teilnehmer des CAE-Weiterbildungsangebotes kommen. Dazu gehören unter anderem Firmen wie Bosch
Siemens Hausgeräte, Gebr. Heller Maschinenfabrik, Hawe Hydraulik, MAN Diesel SE,
Max-Plank-Institut für Physik und Meteor
44
Infoplaner 02/2010
Gummiwerke. Insgesamt wählten über 60
internationale Studenten den seit Herbst
2005 angeboten Masterstudiengang, den
28 von ihnen bisher erfolgreich absolvierten.
Die von esocaet entwickelten Lehrangebote unterstützen nachhaltig die Qualifizierung von Fachkräften aus der Produktentwicklung im Bereich der computergestützten Simulation. Da diese Weiterentwicklung berufsbegleitend und flexibel erfolgt, profitieren davon unmittelbar sowohl
der teilnehmende Mitarbeiter, der seine alltäglichen Aufgaben effizienter bewältigen
kann, als auch das Unternehmen, das sich
durch die fundierte und anwendungsorientierte Ausbildung auch ein langfristi<<
ges Nutzenpotenzial erschließt.
i
Auf unseren Informationsveranstaltungen können Sie den Studiengang
inhaltlich und konzeptionell besser
kennen lernen. Sie erfahren mehr
über den Ablauf des Studiums,
knüpfen Kontakte mit Teilnehmern
und klären Ihre Fragen direkt mit
den Studiengangleitern und den
Organisatoren.
Die nächsten Termine der
Informationsveranstaltungen:
• Freitag, 28. Januar 2011, um
17 Uhr an der Hochschule Landshut
• Freitag, 18. März 2011, um
17 Uhr an der Hochschule Ingolstadt
Für Interessierte besteht auch die
Möglichkeit, einzelne Module zu
buchen, um damit ihr Fachwissen
in speziellen Gebieten zu vertiefen
oder sich auf den Besuch des
Masterstudiums vorzubereiten.
| Information
Ansprechpartner
Anja Vogel
Die Entwicklung des Studiengangs
wurde durch die Europäische Union
gefördert.
CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-52
www.esocaet.com/studium
www.esocaet.com
CAE-Weiterbildung
5. CAE-Forum widmete sich der Robustheit
Das 5. CAE-Forum, das im Juni 2010 an der Universität Erlangen stattfand, beschäftigte sich mit dem Thema
„Robustheit in der Simulation“ und wurde von Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack, Lehrstuhlinhaber für Konstruktionstechnik an der Universität Erlangen, geleitet. Wie auch die vier bisherigen Foren diente es dem Erfahrungsaustausch und gab Diskussionen, die durch kurze Impulsvorträge angestoßen wurden, sehr viel Raum.
Zu den Teilnehmern des Forums, das von Mitgliedern der Technet Alliance moderiert wird, gehörten CAEAnwender aus den unterschiedlichsten Branchen unter anderem von den Firmen Areva, Astrium, Brose,
Federal Modul und Osram.
bewertungen eignen sich auch dazu, die
Anzahl von Versuchen zur Absicherung von
Produkteigenschaften zu minimieren. Ferner sind mit Stochastik-Anwendungen viele Probleme schon frühzeitig erkennbar, die
sonst erst beim Versuch mit dem realen
Prototypen aufgefallen wären.
Dr.-Ing. Karl Gruber, Audi,
Diskussionsteilnehmer lauschen dem
führt in die Diskussion ein.
einführenden Impulsvortrag
Die Impulsvorträge beleuchteten die Themen: Stochastische FEM-Simulation im
Kontext des Robust Design (Uni Erlangen,
Andreas Stockinger), Multi-Domain-Design
und modularer Simulationsbaukasten zur
Erhöhung der Stabilität und Robustheit
technischer Systeme mittels Simulation
(Audi, Karl Gruber), Robustheit in der
virtuellen Produktentwicklung – Stand der
Integration (Dynardo, Johannes Will),
Optimierung medizintechnischer Produk-
te mit ANSYS Workbench (Siemens, Marc
Hainke) sowie Schlüsselfaktoren für robuste
CAE-Modelle im Antriebsstrang (Schaeffler,
Jochen Sarfert).
Ausblick: 6. CAE-Forum
Das nächste CAE-Forum findet im
Rahmen der „ANSYS Conference
& 28. CADFEM Users’ Meeting“ am
4. November 2010 in Aachen statt
und beschäftigt sich mit dem Thema: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
von Simulation.
www.esoacet.com/cae-forum
wwww.usersmeeting.com
Mit Hilfe von stochastischen Methoden lassen sich die Einflüsse von Streuungen einzelner Modellparameter auf das Gesamtverhalten des jeweiligen Systems analysieren. Dadurch lässt sich die Robustheit einer
Konstruktion beziehungsweise eines Produktes bereits in einer frühen Phase der
Produktentwicklung beeinflussen. Ziel ist
es, ein Produkt so zu optimieren, dass es
weniger sensitiv auf wenig beeinflussbare
Streuungen von Eingangsgrößen reagiert
und folglich die Variabilität des Produktverhaltens minimiert wird.
In der Diskussion zeigte sich, dass eine sinnvolle Aufwandsplanung eine wichtige
Grundlage für den effizienten Einsatz von
Robustheitsbewertungen ist. Beispielsweise sind mit der Verfügbarkeit von parametrischen Modellierumgebungen Robustheitsanalysen viel einfacher geworden,
denn mit einem Klick lässt sich die gesamte Parametrik übertragen und die Robustheit eines Modells berechnen. Robustheits-
Dass die Umsetzung von neuen CAE-Konzepten oft sehr tiefgreifend und aufwändig ist, wusste Karl Gruber von Audi zu berichten. Wenn bei einer Simulation nicht
alle wichtigen Bereiche und Disziplinen
berücksichtigt werden, kann es passieren,
dass die Simulation ein stabiles und robustes Verhalten zeigt, obwohl das reale System instabil ist. Deshalb wird bei Audi im
Umfeld Multi-Domain-Design der modulare Simulationsbaukasten eingeführt. Er
bildet eine Grundlage, um die Stabilität
und Robustheit technischer Systeme in der
frühen Entwicklungsphase verlässlicher beurteilen zu können.
In der abschließenden Diskussion über die
Sensibilisierung der Mitarbeiter in der Produktentwicklung und der Entscheider im
Unternehmen für den Einsatz der CAETechnologien wurde festgestellt, dass neue
Anwendungsfelder häufig erst erschlossen
werden, wenn gravierende Probleme auftreten. Diese Fälle eignen sich aber auch
besonders gut für die Überzeugungsarbeit,
da einleuchtend erklärt werden kann, wie
„preisgünstig“ der CAE-Einsatz ist, wenn
dem beispielsweise die Kosten für späte
Konstruktionsänderungen, Rückrufaktionen oder gar Schadensersatzansprüche gegenübergestellt werden. Von dem damit
verbundenen Imageverlust – beziehungsweise der Image-Aufwertung durch den
Einsatz von modernen und leistungsfähigen CAE-Systemen – soll hier gar nicht ge<<
redet werden.
Infoplaner 02/2010
45
CAE-Weiterbildung
eFEM für Praktiker: Denn sie wissen, was sie tun!
Für den Bereich der Produktentwicklung werden heute komplexe Software-Systeme angeboten, die in den
meisten Fällen – verglichen mit den Lösungen der 1990er Jahre – leicht erlernbar und intuitiv bedienbar sind.
Die einfache Handhabung garantiert aber noch keine brauchbaren Resultate. Dies gilt eigentliche für alle
CAx-Anwendungen, sei es CAD, CAM oder CAE.
Was hilft ein noch so genaues und eindeutiges 3D-CAD-Modell, wenn das Bauteil
nicht (wirtschaftlich) fertigbar ist? Welche
Vorteile bringt ein automatisch erzeugtes
NC-Programm, wenn die Eigenheiten des
vorhandenen Bearbeitungszentrums nicht
berücksichtigt wurden? Und wen beeindrucken farbige FEM-Darstellungen, wenn
der Systembenutzer nicht in der Lage ist,
die vom System gelieferten Ergebnisse richtig zu interpretieren.
nungsmodell abgebildet werden, um das
Verhalten der Konstruktion bei variierenden Randbedingungen zu analysieren.
Deshalb mag die Aussage der Software-Anbieter „das System ist kinderleicht zu bedienen“ zwar richtig sein, aber der professionelle Anwender will mit dem System ja
nicht nur „ein bisschen herumspielen.“ Speziell beim Einsatz von CAE-Lösungen müssen gewisse Grundlagen vorhanden sein,
um eine leistungsfähige Simulations-Software professionell nutzen zu können. Im
Gegensatz zur 3D-CAD-Modellierung geht
es nicht um eine realitätsgetreue Geometriedarstellung. Vielmehr müssen die komplexen Eigenschaften der physikalischen
Realität in einem möglichst simplen Berech-
beispielsweise um die Grenzen der Belastbarkeit zu erkennen. Nur so kann gewährleistet werden, dass der Konstrukteur mit
seinem Entwurf immer auf der „sicheren
Seite“ ist. Dazu muss der CAE-Anwender
aber auch wissen, welche Bedingungen (wie
Materialkennwerte, Kräfte, Einspannungen
oder gar Nichtlinearitäten) zu berücksichtigen sind. Ferner sollte er über erweiterte
Grundkenntnisse bei der FEM-Vernetzung
verfügen, damit das Netz beispielsweise an
den Problemstellen (die vielleicht noch gar
nicht lokalisiert sind) fein genug ausgelegt
werden kann.
46
Infoplaner 02/2010
Die Abbildung der Realität
muss ausreichend genau sein
In diesem Zusammenhang geht es nicht nur
– wie beim CAD-Modell – darum, ob die
Abbildung der Realität richtig oder falsch
ist, sondern darum, ob die grundsätzlich
richtige Abbildung ausreichend genau ist,
Grundsätzlich sollte der CAE-Anwender das
Berechnungsergebnis – genauso wie all seine sonstige Tätigkeit – kritisch hinterfragen.
Bei einfacheren Simulationen lässt sich das
Resultat der CAE-Software noch per Überschlagsrechnung kontrollieren. Ist dies nicht
möglich, sollte eine gründliche Überprüfung der Software-Eingaben erfolgen, möglichst gemeinsam mit einem erfahrenen Kollegen. Eine weitere, unabhängige CAE-Berechnung des Problems durch einen Kolle-
gen wird lediglich bei höchster Sicherheitsrelevanz vorgeschrieben.
Doch wo kann ein solches Herangehen gelernt werden? Die Software-Anbieter konzentrieren sich bei ihren Schulungen meist
auf die Funktionalität ihrer Produkte. Die
Hochschulen vermitteln vor allem das Wissen über die vielfaltigen Möglichkeiten der
FEM-Technologie in der Theorie. Die Mitarbeiter im Konstruktionsbüro (Ingenieure/Techniker) interessiert jedoch die praktische Umsetzung. Diese Lücke zwischen
Software-Anbieter, theoretischem Wissen
CAE-Weiterbildung
aus der Hochschule und dem Praktiker in
der Produktentwicklung schließt das CAETraining „eFEM für Praktiker“. Dieses bietet eine praxisorientierte, flexible und effiziente Weiterbildung als Kombination von
e-Learning-Einheiten und Präsenzterminen,
bei denen der Simulationsprozess ganzheitlich betrachtet wird. Das berufsbegleitende CAE-Training umfasst insgesamt 140
Lerneinheiten, die innerhalb von drei Monaten absolviert werden. Neben den vier
Präsenztagen sollten die Teilnehmer durchschnittlich 8 Stunden pro Woche für die
e-Learning-Aktivitäten einplanen.
Die Lerneinheiten sind darauf ausgerichtet,
grundlegende Kenntnisse der rechnerge-
stützten Simulationstechnik auf Basis der
Finite-Elemente-Methode (FEM) zu vermitteln. Dadurch soll die Lösungskompetenz für Probleme, mit denen sich die Fachleute aus der Produktentwicklung täglich
auseinandersetzen müssen, spürbar erhöht
werden.
Bis in die jüngste Vergangenheit galt die
FEM-Simulation als eine Software-Anwendung nur für Spezialisten. Sie hat sich in
den letzten Jahren aber immer weitere Anwendungsfelder erschlossen. Dieser Trend
basiert auf einer grundsätzlich neuen Po-
sitionierung der Simulation in vielen Industrieunternehmen. Wurde in den 1980er
und 1990er Jahren die FEM-Simulation fast
ausschließlich für die Überprüfung abgeschlossener Konstruktionen eingesetzt, so
ist sie speziell in den letzten zehn Jahren
im Produktentstehungsprozess immer weiter nach vorne gerückt. Zunächst hat sich
die konstruktionsbegleitende Berechnung
mehr und mehr etabliert, die heute immer
öfter durch das so genannte Front-Loading
ergänzt wird. Damit sollen die Funktion,
das Betriebsverhalten sowie die technologischen und sonstigen Eigenschaften eines
Produktes schon in einer möglichst frühen
Phase der Produktentwicklung mit Hilfe
von digitalen Modellen untersucht werden,
um die Konstruktion – gewichtet nach den
jeweiligen Anforderungen – in die richtige
Richtung zu lenken.
Virtuelle Prototypen erleichtern
die Entscheidungsfindung
Ziel ist es, mit virtuellen Prototypen und
entsprechenden Simulationen die Entscheidungsfindung zu erleichtern und
gleichzeitig die Anzahl der erforderlichen
realen Prototypen – deren Herstellung sehr
kosten- und zeitaufwändig ist – auf ein Minimum zu reduzieren. Die Anwendungsmöglichkeiten der FEM-Simulation – die
ständig erweitert werden – lassen sich aber
nur effizient nutzen, wenn die entsprechenden Mitarbeiter über das notwendige
Know-how verfügen. Folglich dürfen sich
ihre Kenntnisse nicht nur auf die Funktionalität der jeweils eingesetzten SoftwareLösung beschränken, sondern müssen auch
theoretische Grundlagen und Methodenwissen umfassen.
Kommentare von
Trainingsteilnehmern
„Mir hat bei der CAE-Weiterbildung
‚eFEM für Praktiker´‚ die Kombination
von Präsenzterminen und e-LearningEinheiten besonders gut gefallen.
Speziell weil diese durch eine kontinuierliche Selbstkontrolle und die
effiziente Unterstützung durch Tutoren ergänzt wurden.“
„Kleine Lerngruppen, kompetente
Dozenten und gute Arbeitsunterlagen haben mir ein effizientes Lernen
ermöglicht. Viele Übungen, aber
nicht zu viel Theorie sorgten dafür,
dass der Schwierigkeitsgrad für mich
herausfordernd, aber nicht zu hoch
war.“
Die Entwicklung des Angebotes wurde mit Unterstützung der Europäischen Kommission finanziert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung trägt
allein der Verfasser; die Kommission haftet nicht für die
weitere Verwendung der darin enthaltenen Angaben.
i
| Information
Nächster Kursbeginn
Das nächste deutschsprachige CAETraining „eFEM für Praktiker“ findet vom
30. September bis 17. Dezember 2010
statt. Die Präsenztermine werden diesmal
in Dortmund durchgeführt, und zwar am:
• 30. September / 01. Oktober 2010
• 19. November 2010
Mit der berufsbegleitenden CAE-Weiterbildung „eFEM für Praktiker“ können Techniker, Konstrukteure oder Versuchsingenieure
ihre Wissenslücke bezüglich der Grundlagen der FEM-Anwendung schließen. Damit wird die Basis geschaffen, um nach
dem Konzept des lebenslangen Lernens
sich ein breites Wissen über die CAE-Technologien anzueignen, denn unsere Dozenten verfügen sowohl über umfassende
theoretische Kenntnisse als auch über einen
großen praktischen Erfahrungsschatz. <<
• 17. Dezember 2010
Die Kursleitung hat Prof. Peter Fritzsche
(Fachhochschule Nordwestschweiz)
übernommen.
Ansprechpartner
Anja Höller
CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-74
www.esocaet.com/eFEM
Infoplaner 02/2010
47
Nachweis der Festigkeit für Bauteile
mit Defekten
Als im 20. Jahrhundert katastrophale Schäden infolge Sprödbruch an
geschweißten Brücken und Schiffen sich häuften, entwickelte
sich eine eigene Fachrichtung, die Bruchmechanik, als
Wissenschaft vom Verhalten rissbehafteter Körper. Ihren
großen Aufschwung erlebte die Bruchmechanik im
Zusammenhang mit der Auslegung von Komponenten
der Kernenergietechnik.
Bild 1: Singularität im Feld der
Normalspannungskomponente
rechtwinklig zum Riss.
Ausgangspunkt bruchmechanischer Überlegungen ist die Vorstellung, dass in jedem Bauteil rissähnliche Defekte vorhanden
sind, unter anderem Lunker und Einschlüsse, oder dass Risse im
Betrieb zum Beispiel durch Werkstoffermüdung entstehen. In der
Bruchmechanik werden Kriterien erstellt, die die Vergrößerung
eines vorhandenen Risses bei gegebener Geometrie und Belastung
beschreiben. Die Bruchmechanik ergänzt somit die herkömmliche
Festigkeitsrechnung und Werkstoffprüfung mit einer besseren Aussage über die Sicherheit gegen Bruch.
An der Rissspitze treten Beanspruchungen des Werkstoffes auf,
die sich erheblich von denjenigen eines ungerissenen Bauteils unterscheiden. Ermittelt man die Beanspruchung auf der Basis der
linearen Elastizitätstheorie existiert in der Umgebung der Rissspitze sogar ein singuläres Beanspruchungsfeld. An der Rissspitze ergeben sich unendlich hohe Spannungen und Dehnungen. Das elastizitätstheoretische Maß für die Stärke der Beanspruchung des
Werkstoffs an der Rissspitze ist der Spannungsintensitätsfaktor K.
Das Bild 1 zeigt, wie die Spannung in der Umgebung der Rissspitze gegen Unendlich strebt. Die Gestalt dieses singulären Felds
ist für alle Risse dieselbe. Dabei ist lediglich zwischen den drei möglichen Rissöffnungsmodi zu unterscheiden (Bild 2). In der Praxis
spielt dabei der Modus I die entscheidende Rolle, unter anderem
weil sich das Wachstum eines langen Ermüdungsrisses überwiegend so einstellt, dass lokal an der Rissfront ein Modus-I-Zustand
Bild 2: Die Grafiken verdeutlichen die drei möglichen Rissöffnungsmodi.
48
Infoplaner 02/2010
entsteht. Bei der Führung von Festigkeitsnachweisen besteht die
bestens bewährte Praxis darin, den auftretenden Beanspruchungen die Beanspruchbarkeiten gegenüber zu stellen. Bei defektbehafteten Strukturen scheiden klassische Spannungsvergleiche
aus, denn bei einer Singularität streben alle Werte an der Rissfront
gegen Unendlich. In der linear elastischen Bruchmechanik werden
daher nicht einzelne Spannungswerte miteinander verglichen, sondern ganze Spannungsfelder. Dies funktioniert so lange, wie die
Gestalt der miteinander verglichenen Felder identisch ist. Wie oben
erwähnt, ist dieses Ähnlichkeitskriterium innerhalb einzelner Modi erfüllt. Mit dem Spannungsintensitätsfaktor für beispielsweise
den Modus I hat man einen skalaren Wert in der Hand, KI, der
die Stärke des Spannungsfeldes misst.
Die Beanspruchbarkeiten kommen aus dem Prüflabor. Dies bedeutet, dass für eine bruchmechanische Bewertung Proben mit
Riss geprüft werden müssen. Deren Versagen gibt Auskunft über
den kritischen Spannungsintensitätsfaktor, Kmat. Der einfachste
bruchmechanische Festigkeitsnachweis läuft darauf hinaus, dass
KI um einen festzulegenden Faktor kleiner als Kmat zu sein hat. Das
Bruchkriterium lautet
(1)
Bei dieser Art der Nachweisführung scheint man die Existenz unendlich großer Spannungen in Kauf zu nehmen. Klar ist, dass solch
hohe Spannungen in der Realität nicht vorkommen können. Sie
sind eine Folgeerscheinung der Anwendung der linearen Elastizitätstheorie in einem Bereich in der Nähe der Rissfront, wo ihre
Grundvoraussetzungen, kleine Verzerrungen und linear elastisches
Materialverhalten, mit Sicherheit nicht eingehalten sind. Der Werkstoff bildet eine plastische Zone an der Rissfront aus (Bild 1) und
die Rissspitzengeometrie ändert ihre Gestalt grundlegend vom
Endpunkt eines mathematischen Schnitts in eine ausgerundete,
scharfe Kerbe. Trotzdem wird das oben aufgeführte Nachweisformat nicht sofort obsolet. Die Nachweisführung über Spannungsintensitätsfaktoren geht so lange gut, wie das so genannte
Einbettungskriterium erfüllt ist. Ist die plastische Zone klein und
somit eingebettet in ein K-dominiertes Feld, kann mit Recht argumentiert werden, dass bei gleichartigem K-dominierten Feld
auch die eingebetteten plastischen Zonen gleich sind und damit
das Eintreten eines Bruchs auf der Basis des einbettenden, K-dominierten Felds bewertet werden kann.
Auch bei Verletzung des
Einbettungskriteriums
spielt der Spannungsintensitätsfaktor noch eine große Rolle als Eingangsgröße für eine Plastizitätskorrektur. Deshalb ist es für den festigkeitsverantwortlichen
Bild 3: Koordinaten Rissspitzennahfeld.
Ingenieur von überragender Bedeutung, zu allererst den Spannungsintensitätsfaktor
realitätsnah zu bestimmen. Sehr viele Konfigurationen sind in den
letzten Jahrzehnten schon berechnet worden, deren Ergebnisse
in der Fachliteratur vielleicht auch gefunden werden können. Das
zweibändige „Stress Intensity Factors Handbook“ von Murakami
und Mitarbeitern (Pergamon Press) sollte zuerst konsultiert werden, vielleicht zusammen mit der Sammlung in den Empfehlungen „FITNET Fitness-forService“ von Koçak und
Mitarbeitern (GKSS Research Centre Geesthacht). Erfahrungsgemäß
unterscheidet sich jedoch
ein aktuell zur Bewertung
anstehender Fall mehr
oder weniger von den
Fällen mit veröffentlichter Lösung. Gelegentlich
hilft dann eine mechanische Modellbildung in
dem Sinne, dass durch
Bild 4: Singuläres Rissspitzenelement.
begründete Überlegungen die Äquivalenz von aktuellem und bekanntem Fall hergestellt
wird. Hinweise dazu sowie zu den wichtigen widerstandsseitigen
Materialkennwerten können der FKM-Richtlinie „Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“ und dem „British Standard 7910“ entnommen werden.
bung, vi, ausgeben. Die Verbindung zum Spannungsintensitätsfaktor schafft die Gleichung
In der Regel führt jedoch fast kein Weg an der numerischen Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors vorbei. Dies ist alles
andere als trivial, denn mit endlich begrenzten numerischen Mitteln muss die Stärke einer Singularität bestimmt werden (Bild 3).
(3)
Da die Spannungen prinzipiell mit einem größeren Fehler als die
Verschiebungen behaftet sind, werden standardmäßig die Verschiebungen, zum Beispiel auf dem Rissufer
ausgewertet. Einige kommerzielle Programmsysteme stellen spezielle
Software- Werkzeuge für
diese Auswertung zur
Verfügung. Man lässt sich
Wertepaare für den Abstand von Rissuferknoten
von der Rissspitze, ri, mit
zugehöriger VerschieBild 5: Rissspitzenvernetzung.
(2)
Mit den Wertepaaren aus der Numerik lässt sich über eine Regressionsrechnung der Proportionalitätsfaktor, KI, identifizieren.
Die Unabhängigkeit des Ergebnisses von der gewählten Elementgröße ist durch eine ausreichende Netzverfeinerung nachzuweisen. Allzu dichte Netze können durch Verwendung spezieller Rissspitzenelemente vermieden werden. Dazu werden die rissspitzenangrenzenden Mittelknoten eines isoparametrischen 8-KnotenElements in die Seiten-Viertelspunkte verschoben (Bild 4). Solche
Elemente sind besonders gut als Rissspitzenelemente geeignet, da
die mit ihnen beschriebene Verschiebung sich der dort vorhandenen optimal anpasst.
Die empfohlene gesamte Vernetzung in der Nähe der Rissspitze
gemäß Bild 5 gerät damit etwas aufwändiger. Sie wird jedoch auch
von geeigneter Preprozessor-Software unterstützt.
Mit Gleichung (1) ist ein sehr lokales Bruchkriterium formuliert
worden. Es operiert mit Spannungsfeldern in unmittelbarer Umgebung einer Rissspitze oder Rissfront. Historisch betrachtet sind
jedoch globale, auf Energiebetrachtungen fußende Bruchkriterien
viel früher von Griffith vorgeschlagen worden. Die Energiekriterien basieren auf der Tatsache, dass ein rissbehaftetes mechanisches System potenzielle Energie, U, verliert, wenn der Riss wächst.
Die maßgebende mechanische Größe ist die auf die neu erzeugte Rissfläche, A, bezogene, bei Risswachstum freigesetzte Energie, das heißt die Energiefreisetzungsrate, G,
In Griffiths ursprünglicher Interpretation tritt ein instabiles Risswachstum ein, wenn das mechanische System genügend Energie
zur Verfügung stellt, um neue Oberfläche zu bilden. Die Interpretation geht bei der Anwendung auf elastisch-plastisch verformbare Materialien darüber hinaus. Die Energiefreisetzungsrate wird
als Differenz des energetischen Gehalts zweier benachbarter Zustände mit gegebenenfalls großen plastischen Verformungen in
Rissspitzennähe angesehen.
Im Gültigkeitsbereich der linearen Elastizitätstheorie kann die Identität
(4)
Infoplaner 02/2010
49
abgeleitet werden.
Dies eröffnet vielerlei Möglichkeiten
zur effizienten Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors. Die Energief re i s e t z u n g s r a t e
kann aus dem Vergleich des energetischen
Zustands
zweier Strukturen,
Zustände 1 und 2,
Bild 6: Integrationspfad um eine Kerb- beziehungsweise
mit um Δa unterRissstruktur.
schiedlichen Risslängen berechnet werden. Eine besonders elegante Methode verwendet für beide Strukturen eine identische Vernetzung, nur die
Randbedingung für den Rissspitzenknoten der ersten Struktur wird
auf frei verschieblich für die zweite Struktur geändert.
Um den etwas längeren Riss ausgehend vom Zustand 2 zu
schließen, so dass sich der Zustand 1 einstellt, muss genau die
Knotenkraft, Ft, des Zustands 1 aufgebracht werden. Dabei leistet
diese Kraft eine Arbeit an der gegenseitigen Verschiebung der
Knoten, vt, wie sie sich in Zustand 2 eingestellt hat. Umgekehrt
wird diese Energie frei, wenn die Struktur vom Zustand 1 nach 2
übergeht. Wegen des linearen Zusammenhangs zwischen Kraft
und Verschiebung ist die frei gesetzte Energie
(5)
Verwendet man Elemente mit linearer Formfunktion, ist der Risslängenzuwachs Δa gleich der Elementkantenlänge, e, auf der Rissufer-Ligament-Linie. Die Energiefreisetzungsrate ergibt sich damit
zu
(6)
Die Methode wird als „Virtual Crack Closure Integral“ bezeichnet. Einen Schritt weiter geht die Methode des so genannten „Modified Virtual Crack Closure Integral“ (MVCCI). Die Modifikation
besteht darin, gar keinen zweiten Zustand mehr zu berechnen,
sondern für vt in Gleichung (6) die gegenseitige Verschiebung der
letzten Rissuferknoten des Zustands 1 zu verwenden. Das geht
gut, solange die Elemente nicht zu groß sind. Das MVCCI stellt
derzeit wohl ein Optimum hinsichtlich Aufwand und Genauigkeit
bei der numerischen Berechnung des Spannungsintensitätsfaktors
dar.
Der am weitesten verbreitete Parameter zur Bewertung der Rissspitzenbeanspruchung in der elastisch-plastischen Bruchmechanik ist das so genannte J-Integral. Bei (nicht-) linear-elastischem
Werkstoffverhalten gilt die Identität J = G. Zur Berechnung wird
ein Integrationspfad, der die Rissspitze vollständig umschließt, entsprechend Gleichung (7) ausgewertet (Bild 6). Diese Numerik wird
in vielen FE-Programmsystemen postprozessorseitig unterstützt.
50
Infoplaner 02/2010
(7)
Ein Bruchkriterium der elastisch-plastischen Bruchmechanik lautet
(8)
worin Berücksichtigung findet, dass der Widerstand des Werkstoffs, JR, in der Regel mit der Rissverlängerung, Δa, ansteigt.
Eine Möglichkeit zur Vermeidung einer nicht-linearen Berechnung
bei der Anwendung von Gleichung (8) besteht darin, beidseits der
Nachweisgleichung (8) zu einem Parameter der linear elastischen
Bruchmechanik, also K, zurückzukehren. Auf der linken Seite gelingt dies formal mit Gleichung (4) und der Identität J = G. Auf
der rechten Seite müssen Korrekturfunktionen, ƒ, eingeführt werden, die vom Plastizierungsgrad,
(9)
abhängen, also dem Verhältnis der Belastung F zur Fließlast Fy.
Die Bewertung der Bauteilsicherheit kann nunmehr mit dem Failure-Assessment-Diagram (FAD) erfolgen (Bild 7). Dargestellt werden die normierten Widerstandsgrenzkurven, Kr ,
(10)
als Funktion vom Plastizierungsgrad. Für Stähle mit ausgeprägtem
Lüders-Plateau kann die einfache Formel
(11)
verwendet werden. Liegt der Bewertungspunkt – man berechnet
die vorhandenen Verhältnisse K / Kmat und F / Fy – innerhalb des
durch die Schadensgrenzkurve definierten Bereichs, kann der Betrieb des Bauteils als sicher angesehen werden.
Durch die Implementierung der Berechnungsalgorithmen zur
Bestimmung der bruchmechanischen Beanspruchungsparameter
K beziehungsweise J in die numerischen Näherungsverfahren ist
die Anwendbarkeit der Bruchmechanik erheblich gestiegen. Das
Bild 8 zeigt beispielsweise das Modell eines geschweißten Stahlträgers mit halber Kopfplatte, wie er standardmäßig beim Bau von
Parkhäusern verwendet wird. Der Steg enthält ausgehend vom
Kopfplattenende einen Riss, der beim Feuerverzinken entstehen
Bild 7: Failure-Assessment-Diagram.
kann, wenn ungünstige Schweißeigenspannungen, Eintauchbedingungen in das Zinkbad und Zinkschmelzenzusammensetzungen zusammentreffen. Neuere Regelwerke enthalten Optionen
zur Anwendung bruchmechanischer Methoden, um auch solche
Situationen bewerten zu können. Die FKM-Richtlinie und der „British Standard 7910“ wurden schon genannt. Im Stahlbau kommt
die „Euronorm 1993“ zur Anwendung, die in Teil 10 auch eine
solche Option eröffnet.
Die numerischen Werkzeuge sind inzwischen soweit entwickelt,
dass auch das Ermüdungsrisswachstum verfolgt werden kann.
Dabei tritt anstelle des Bruchkriteriums ein Risswachstumsgesetz,
das die Risslängenzunahme bei einem Lastwechsel, da / dn , in Beziehung setzt zur Schwingweite des Spannungsintensitätsfaktors,
ΔK. Üblicherweise kommt ein einfaches Potenzgesetz zum Ansatz,
das auch als Paris-Gesetz bezeichnet wird,
(12)
Bei der Bestimmung der Anfangs-Rissgeometrie sollte üblicherweise mit den Kollegen aus der zerstörungsfreien Prüfung kommuniziert werden. Wichtig ist zu erfahren, wie groß ein gerade
noch übersehener Defekt sein kann und nicht wie klein der jemals
gefundene Defekt war. Für diesen möglicherweise übersehenen
Riss lässt sich das Ermüdungsrisswachstum durch Integration der
Gleichung (12) bei Ansatz der Betriebsbelastung auf das Bauteil
ermitteln. Dies erfordert ein sehr häufiges numerisches Berechnen
von Spannungsintensitätsfaktoren. Im Verlauf der Ermüdungsrisssimulation muss ständig überprüft werden, ob bei der Oberlast eines Lastwechsels die Bruchbedingung erfüllt ist. Aus dem Ergebnis solcher Simulationen können sinnvolle Inspektionsintervalle
abgeleitet werden, natürlich unter Einbeziehung von Sicherheitsbetrachtungen. Die Anwendung zum Beispiel in der Luftfahrt beweist, dass sich mit dieser Auslegungsphilosophie akzeptiert sichere Strukturen im großtechnischen Maßstab betreiben lassen.
Da der Fortschritt in der Technik künftig die heimlichen Tragreserven
im Maschinen-, Fahrzeug- und Stahlbau weiter reduzieren wird,
ist damit zu rechnen, dass bruchmechanische Festigkeitsbewertungen zunehmend häufiger auf die verantwortlichen Ingenieu<<
re zukommen werden.
✒|
Autoren
Dipl.-Ing. Christian Versch, Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald
Fachgebiet Werkstoffmechanik, Technische Universität Darmstadt
i
| Information
Hinweis: Dieser Beitrag ist Teil einer aktuellen Serie zur FEM in
der Fachzeitschrift CAD-CAM Report und erfolgt mit freundlicher
Die werkstoffspezifischen Konstanten C und m müssen im Labor
gemessen werden.
Genehmigung der Redaktion.
www.plm-it-business.de
Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald, Jahrgang 1957,
ist Leiter des Fachgebietes Werkstoffmechanik am Institut für Stahlbau und Werkstoffmechanik an der TU
Darmstadt. Seine Forschungsschwerpunkte Betriebsfestigkeit, Bruchmechanik und Materialgesetze vermittelt
er zudem als Lehrbeauftragter an der esocaet (European School of Computer Aided Engineering Technology) den dortigen Master-Studierenden. Er ist
Honorary Member der TechNet Alliance.
(www.technet-alliance.com)
Dipl.-Ing. Christian Versch ist wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Prof. Vormwald mit den Forschungsschwerpunkten Bruchmechanik und Schweißverbindungen.
Bild 8: Stahlträger mit Riss an aufgeschweißter halber Kopfplatte.
Infoplaner 02/2010
51
CADFEM Empfehlungen
Kurzfilm überzeugt Publikum und Jury
Wie kommt ein Superheld ins Krankenhaus? Und was macht er da? Der Superheld Captain Hickman fällt
durch ein Dimensionsloch direkt in das Badezimmer von Judith. Judith ist während ihrer Chemotherapie im
Krankenhaus ans Bett beziehungsweise den Rollstuhl gefesselt und entflieht mit Hilfe einer fantasievollen
Abenteuergeschichte ihrem tristen Krankenhausdasein. Captain Hickman und Judith suchen ihren gemeinsamen Feind Dr. Vomex. Während sich auf der Seite des Guten eine innige Freundschaft entwickelt, muss gegen
das Böse ein gefährlicher Kampf ausgefochten werden.
Das ist zusammengefasst die Handlung
des Kurzfilm „Dimensionsloch 31.4“ von
Juri Dohle-Friederici. Während seiner nun
schon über drei Jahre andauernden Chemotherapie im Krankenhaus lag es nahe,
das „Krebs-Sujet“ filmisch aufzugreifen.
Mit anderen Patienten auf der Kinder-
krebsstation hat er sein Erstlingswerk
vor Ort wochenlang vorbereitet und
schließlich mit Hilfe einiger Freunde umgesetzt. „Hickman“ und „Vomex“ sind
Komponenten der Chemotherapie und
gehören für Krebspatienten zum Krankheitsalltag.
Den Anstoß zum Debüt von Edelkrebs
Entertainment (EE), der von Juri Dohle-Friederici gestarteten Filminitiative, erhielt er
durch das Thema „Papphelden“, einer
Wettbewerbsausschreibung verschiedener
Medienunternehmen. Damals ahnte niemand, dass der 16-minütige Kurzfilm
„Dimensionsloch 31.4“ seinen Wirkungskreis weit über den Wettbewerb, bei dem
er nicht einmal für die Vorauswahl in
Betracht gezogen wurde, ausweiten würde. Als der Film im September 2009 im
Mannheimer Klinikum Premiere feierte,
überstieg der Publikumsandrang alle hochgesteckten Erwartungen. Die Filmemacher
waren sprachlos mit einem nicht enden
wollenden Applaus konfrontiert, der sie
mehr als alles andere in ihren Aktivitäten
bestätigte.
Beim regionalen Filmfestival „Goldener
Hirsch“ wurde der Film im Dezember 2009
dann zum ersten Mal außerhalb des Krankenhauses präsentiert. Für die Beteiligten
war dies die große Bewährungsprobe, denn
sie waren sich unsicher, ob „Dimensionsloch 31.4“ auch vor einem Publikum
bestehen würde, das keinen persönlichen
Bezug zu Krebs und Krankenhaus hat.
Obwohl der erste Preis knapp verfehlt
wurde, erhielten die Filmemacher vom Veranstalter und vom Publikum viel Lob für ihr
künstlerisches Werk. Ein Beitrag im Regional-Fernsehen zeigte auf eindringliche Weise, wie sehr dieser Film das Publikum und
die Organisatoren des Festivals bewegte.
Juri Dohle-Friederici mit seinen Papphelden Captain Hickman (links) und Dr. Vomex während der Dreharbeiten.
52
Infoplaner 02/2010
Krankenhaus als Wunderland
Nach dem regionalen Erfolg bewarben sich
die jungen Filmemacher mit ihrem Film
beim Bundesjugendvideopreis 2010 in Ludwigsburg. Als Vorgabe zum Sonderthemas
des Wettbewerbs galt die Frage nach dem
perfekten Wunderland: „Alice hat ihr Wunderland bereits entdeckt. Wie sieht das per-
CADFEM Empfehlungen
fekte Wunderland für dich aus? Märchenhaft, futuristisch, faszinierend? Wundersam oder unglaublich? Oder verbindest du
mit „Wunderland“ etwas ganz anderes?“
Das Wunderland „Kinderkrebsstation“
besteht nicht aus Spannung, Spaß und
guter Laune. Der Alltag auf der Kinderkrebsstation ist auch nicht perfekt, sondern
im Gegenteil durchsetzt von Leid, Lange-
Judith entflieht ihrem tristen Krankenhausdasein.
weile – und Wundern. Diese Wunder sind
manchmal subtiler als Alices weiße Kaninchen. Sie geschehen gerade dann, wenn
sie dringend gebraucht werden. Das kann
ein selten gewordenes Lachen oder ein
erster Spaziergang im Freien sein, aber die
Phantasie findet in der hochtechnisierten
Krankenhauswelt auch Anregung für futuristische Abenteuer.
Zum Bundesjugendvideopreis wurden über
700 Filme eingereicht, von denen 40 ins
Finale kamen – Dimensionsloch 31.4 war
dabei. Damit wurde klar, dass die „ehemaligen Papphelden“ auch eine professionelle Fachjury aus der Medienwelt beeindrucken können. Die Jury formulierte
für die Zweitplatzierung in der Kategorie
„Wunderland“ folgendes Urteil: „Ein
schweres Thema, ungewöhnlich und neuartig umgesetzt.“ Und weiter: „Unaufdringlich und einfühlsam, hoffnungs- und
humorvoll zeigt der Regisseur, wie eine
Wunderwelt Anhaltspunkte zur Verarbeitung geben kann“.
„Wir wollen nicht nur unterhalten“
Edelkrebs Entertainment sieht sich als
unabhängigen Zusammenschluss junger
Menschen mit dem Ziel gemeinsam filmische, kreative und soziale Projekte zu verwirklichen. Neben Juri Dohle Friederici sind
Andreas Meves, Lars Sichau, Tobias Lippek,
Phillip Meyer und Hendrik Lackus in dem
Projekt aktiv. Nach dem großen Erfolg des
Erstlingswerks „Dimensionsloch 31.4“ wird
zur Zeit am neuen Kurzfilm „Kawuras“ gearbeitet, der in der zweiten August-Hälfte
2010 gedreht werden soll. Inspiriert von
der Kontaktjonglage wird ein Artistenvideo
mit narrativer Erzählstruktur konstruiert,
um das Schicksal eines todkranken jungen
Mannes als surreal
verdichtete Fabel zu
inszenieren.
Der Film wird gefördert von der Stiftung
„Jugend für Europa“,
der Deutschen Leukämie-Forschungshilfe
und dem Rotary Club
Schwetzingen. Das
brachte die Filmemacher dazu, nicht nur
ihren eigenen künstlerischen Ansprüchen
zu folgen, sondern dabei auch von Krebs
betroffene Jugendliche und Kinder mit einzubeziehen. „Der Zusammenhalt und die
Stimmung in der Gruppe während der Entwicklung des Drehbuchs waren für mich
von unschätzbarem Wert in schwierigen
Phasen der Isolation im Krankenhaus“, berichtet Juri Dohle-Friederici. „Diese Erfahrung wollen wir an möglichst viele andere
betroffene Kinder und Jugendliche weitergeben und deren Selbstwahrnehmung als
aktive, und kreativ gestaltende Personen
im gesellschaftlichen Miteinander stärken.“
einen nachhaltigen Effekt erzielen und die
Menschen zu eigenen Arbeiten befähigen.
Wir wollen Mut machen, eigene Projekte
zu starten und dazu anregen, kreativ und
solidarisch mit Schwierigkeiten umzugehen“, betont Juri Dohle-Friederici.
Das Krankenhaus ist für gesunde Menschen
eine fremde Welt. Die Furcht, dass eine
Krankheit einen auch selbst betreffen könnte, verleitet dazu, das Thema zu verdrängen. Dadurch entstehen Vorurteile und ausgrenzendes Denken. Viele wissen nicht wie
sie einem Kranken gegenübertreten sollen.
Folglich vereinsamen dauerhaft Kranke,
weil sie im Krankenhaus von ihrem sozialen Umfeld abgeschnitten werden und
Freunde sich schwer aus ihrer Beklommenheit lösen. „Wir wollen zeigen, wie
kreativ krebskranke Kinder und Jugendliche sein können, dass sie Freude am Leben haben und nicht hoffnungslos in ihren
Betten verkümmern müssen. Der Film als
Ergebnis der gemeinsamen Arbeit soll in
dieser Hinsicht für sich sprechen und eine
breite Öffentlichkeit erreichen“, formuliert
<<
er abschließend.
i
| Information
Juri Dohle-Friederici
(22 Jahre), Initiator von
Edelkrebs Entertainment,
leidet selbst seit über drei
Jahren an einer schwer
Von Krebs betroffene
Jugendliche einbeziehen
Deshalb werden bei den Dreharbeiten
Krebspatienten der Kinderonkologie Mannheim teilnehmen. Dabei soll auf körperliche Behinderungen und Beschwerden besondere Rücksicht genommen werden, damit es für jeden möglich ist, sich einzubringen. Nach der Postproduktion ist eine
bundesweite Tour geplant, bei der Kliniken
in Deutschland besucht werden sollen, um
dort den Film zu präsentieren und den kreativen Austausch und Dialog zu suchen.
Neben den Filmvorführungen sind Videound Zirkusworkshops für Kinder geplant.
Hierbei soll die Auseinandersetzung mit der
Erkrankung und ihrer gesellschaftlichen
Rolle vertieft werden. „Damit wollen wir
heilbaren Krebserkrankung. Er unterzieht sich
seitdem regelmäßig
Chemo- und Strahlentherapien. Darüber
hinaus musste sein linkes Bein im Sommer 2007
amputiert und das Gehen mit einer Prothese neu
gelernt werden. Noch immer ist er gezwungen
sehr viel Zeit im Krankenhaus zu verbringen.
Bevor ihn seine Krankheit daran hinderte, war er
ein leidenschaftlicher Jongleur, Einradfahrer und
Artist und beteiligte sich am zirkuspädagogischen
Sozialprojekt „Circo FantazzTico“ in Costa Rica.
Weitere Informationen:
www.edelkrebs-entertainment.de
Spendenadressen:
www.kinderkrebshilfe-mannheim.de
Infoplaner 02/2010
53
CADFEM
Was macht jetzt eigentlich der GuM?
Das Kürzel GuM steht für Günter Müller und wird im Hause CADFEM von Mitarbeitern gerne benutzt, wenn
sie von ihm (oder über ihn?) sprechen.
Nach Parkinson durchschreitet man nach
dem Alter der Qualifizierung (bei mir 25),
das Alter der Vernunft (+3), das Alter der
Beförderung (+7), der Verantwortlichkeit
(+5), der Autorität (+3), der großen Werke (+7), der Auszeichnung (+9, da gab es
tatsächlich Angebote, aber gegen Gebühr
und das habe ich abgelehnt) und erreicht
dann nach weiteren 6 Jahren das Alter der
Würde, den „Pensions-Punkt“ (bei mir 65,
eine Punktlandung). Man könnte danach
durchaus weitermachen, denn es folgt das
Alter der Weisheit (+3) und erst 7 Jahre danach tritt man ins Alter der Verstopfung.
Was Parkinson darunter versteht, dazu gibt
er leider keine Erklärung.
Parkinson rät, den Platz im Alter der Würde (bei mir 65) freizumachen, da sonst die
nachfolgende Generation keine Chance
hat, Verantwortung zu übernehmen und
das Alter der Enttäuschung, der Eifersucht,
des Verzichtes und des Toten Gleises
erleiden muss.
Dem Ratschlag möchte ich folgen und werde,
wie im Infoplaner 02/2009 angekündigt, meinen Platz als Geschäftsführer der CADFEM
GmbH zum 1. Oktober 2010 freimachen.
Und was mache ich jetzt, als Rentenbezugsberechtigter?
Der Film „Papa ante portas“ von Loriot
hat mir keine Anregungen gegeben, für
Ich werde der CADFEM GmbH als Gesellschafter weiterhin mit Rat und Tat zur Verfügung stehen. Insbesondere werde ich mir
mehr Zeit nehmen für das Controlling und
für die Evaluierung neuer Geschäftsfelder.
Als geschäftsführender Gesellschafter der
CADFEM International GmbH und Präsident der CADFEM International AG
werde ich mich verstärkt um die FirmenBeteiligungen mit insgesamt rund 300 Mitarbeitern kümmern. 2010 und 2011 steht
der Ausbau der Firmen in den USA, in Russland, in Indien und in China im Vordergrund. Das macht Geschäftsreisen in ferne Länder erforderlich.
Das Thema Ausbildung liegt mir am Herzen. Die erste Idee von esocaet (European
School of Computer Aided Engineering
Technology) war, einen berufsbegleitenden
Masterstudiengang in Applied Computa-
Das Netzwerk „TechNet Alliance – Your
global CAE- Partner“ habe ich vor gut 10
Jahren mit initiiert und seither verantwortlich geleitet. Rund 80 Experten aus Industrie
und Hochschulen aus Europa, Amerika und
einen zufrieden stellenden, dauerhaft
erquickenden Zeitvertreib. So bleibe ich
zunächst bei dem, was mir auch bisher
(meist) Spaß gemacht hat.
www.esocaet.com
tional Mechanics anzubieten. Das Angebot
zu CAE-Weiterbildung soll erweitert werden, mit „eFEM für Praktiker“, mit softwareunabhängigen CAE-Seminaren, mit
Sommerkursen für Doktoranden und mit
CAE-Foren zu aktuellen Themen der Simulationstechnik. Als Beitrag zur MINT-Initiative
(Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft,
Technik) wird CADFEM zusammen mit der
TU München bayerische Gymnasiasten mit
der Simulationstechnologie vertraut machen und mit Schülern des Gymnasium Grafing Anfang 2011 ein Simulationsprojekt
im Rahmen von G8 durchführen.
www.technetalliance.com
Asien treffen sich jährlich im Frühjahr und
im Herbst zum zweitägigen Gedankenaustausch. Hier gilt es, mit immer neuen Inhalten, die Treffen informativ und attraktiv zu
gestalten.
Verstärkt möchte ich mich für meine Stiftung engagieren, die die Tadra Kinderdörfer in Ost-Tibet (www.tadra.de) unterstützt. Auch die noch junge Organisation „Ingenieure ohne Grenzen“ braucht
Zuarbeiter.
Zurückziehen werde ich mich im Laufe der
Zeit aus der aktiven Mitarbeit der Fachgesellschaften NAFEMS, GACM und dem
VDI Programmfachausschuss. Damit dann
auch noch Zeit übrig bleibt für das Schreiben der CADFEM- Historie, für den Besuch
alter Freunde und für Ausflüge mit Enkel
Moritz.
Mit täglicher Gymnastik auf dem Balkon,
mit Schwimmen und Bergwandern und mit,
mir sinnvoll erscheinender, Beschäftigung
(wie beschrieben), hoffe ich noch viele Jahre
<<
„gesund“ zu erleben.
CADFEM International
54
Infoplaner 02/2010
Günter Müller
CADFEM Empfehlungen
Kurze Prozesse mit der CRM-Software Vemas.NET
Meistens verkauft CADFEM Software und erbringt Dienstleistungen. Um die damit verbundenen Prozesse,
Dokumente und Kommunikation in Zukunft noch effizienter und damit auch kundenfreundlicher zu gestalten, hat CADFEM nun selbst eine Softwarelösung eingekauft und auf die eigenen Anforderungen hin zuschneiden lassen: Vemas.NET von der scholz.msconsulting GmbH.
CADFEM – das ist in Deutschland die
CADFEM GmbH in Grafing und an weiteren 5 Standorten, die CADFEM (Suisse) AG
in Aadorf, Lausanne und Gerlafingen und
die CADFEM (Austria) GmbH in Wien.
In der jüngeren Vergangenheit sind weitere Firmen in Indien und den USA entstanden, desweiteren existieren zahlreiche
Beteiligungen bei Partnern im In- und Ausland.
•
•
•
•
Das Kerngeschäft ist überall dasselbe: Der
Vertrieb von Simulationssoftware einschließlich Beratung, Support und Seminaren
sowie die Erbringung von Berechnungsdienstleistungen. Hinter dieser knappen
und klaren Beschreibung der Geschäftstätigkeit stecken komplexe Prozesse, die
mit einem drastischen Anwachsen an Informationen, Daten und Dokumenten einhergehen.
Da dies mit der vorhandenen Unternehmenssoftware – zuzüglich verschiedener
„Hilfsprogramme – nicht mehr zu bewältigen war, wurde beschlossen, ein neues,
leistungsfähiges System anzuschaffen.
•
•
•
Die Anforderung an die
künftige CRM- und Projektmanagement Software waren sehr vielseitig:
• Einheitlicher Blick auf
den Kunden für Marketing, Consulting, Vertrieb,
Auftragsabwicklung, Service/Support, Seminarverwaltung und Geschäftsführung
Umsetzung der Mehrwährungsfähigkeit
innerhalb einer Datenbank, so dass die
Mitarbeiter in Deutschland, Österreich
und der Schweiz in einem System die
Geschäftsvorgänge verwalten können
Einheitliches Adress- und Kontaktmanagement mit geeigneter CAE Merkmalsstruktur
Abbildung des kompletten Artikelbestandes innerhalb von Vemas.NET
Automatisierung des individuellen Dokumentenmanagements für Geschäftsbelege (Angebote, Auftragsbestätigungen, Lieferscheine, Rechnungen,...)
Anbindung des mySQL basierenden
eCADFEM Kundenportals mit vollautomatisierten täglichem Datenabgleich
Anbindung von Web-Services für z.B.
„Compliance Check“
Einführung der Bereiche Sales, Consulting, Auftragsabwicklung, Rechnungserstellung und Anbindung an die Finanzbuchhaltungssysteme innerhalb von
15 Monaten in allen Standorten von
CADFEM.
Die Hauptziele zur Einführung einer neuen Integrationslösung waren:
Nach einer umfassenden Wettbewerbsanalyse hat sich CADFEM für die CRM- und Projektmanagement Software Vemas.NET der
scholz.msconsulting GmbH entschieden.
• Optimierung der Prozesse zur Kundenbetreuung (Customer Relationship Management (CRM))
• Verbesserung und Automatisierung von
internen Abläufen
Ende 2008 fand eine erste Kontaktaufnahme statt und es wurde ein detailliertes
Anforderungs- und Pflichtenheft an das
Vemas-Team als Kalkulationsgrundlage
übergeben.
Auf Basis der Anforderungen wurde
Anfang 2009 ein Workshop mit Key-Usern
von CADFEM und Projektleitern der
scholz.msconsulting GmbH durchgeführt.
Die mehrtägige Veranstaltung bildete die
Basis für eine generelle Überarbeitungskonzeption von Vemas.NET. Detailliert wurden sämtliche Funktionen mit den entsprechenden Datenbank- und Frontenderweiterungen beschrieben, abgestimmt und
letztendlich beauftragt.
Die Basis zur Einführung von Vemas.NET
bildete eine mehrwöchige Ausbildung und
Einarbeitung der CADFEM Key-User in die
Prozessverwaltung. Parallel wurden die ersten Erweiterungen im Entwicklungsstandort in Krefeld durchgeführt.
Individuelle Anpassungen und Erweiterungen von Schnittstellen, Web-Services,
Dokumentenvorlagen und Auswertungsmöglichkeiten wurden vor Ort umgesetzt
und in separaten Entwicklungssystemen
mit Live-Datenbeständen getestet und sukzessive ausgerollt. Detaillierte Schulungen
fanden durch die CADFEM Key-User nach
dem „Train the Trainer-Prinzip“ statt.
Besonderen Stellenwert in der Einführung
hatte bei CADFEM der durchgängige und
integrierte Forecast-, Angebots-, Bestell- und
Rechnungsworkflow in Vemas.NET, für den
mehrere individuelle Übersichten entwickelt
wurden. Ferner wurden mit CADFEM
Schnittstellen zu zwei verschiedenen Finanzbuchhaltungssystemen realisiert. <<
i
| Information
Ansprechpartner
Teresa Müller
CADFEM GmbH Grafing
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-386
www.msconsulting.de
Infoplaner 02/2010
55
Bestellformular
Fachbücher und Lernsoftware
Die folgenden und weitere Produkte können auch im CADFEM Online-Shop erworben werden:
www.cadfem.de/shop
Produkte zu ANSYS
„FEM für Praktiker – Grundlagen“ Band 1,
8. Auflage (2007), EUR 89,00
„FEM für Praktiker – Strukturdynamik“ Band 2,
5. Auflage (2008), EUR 84,00
„FEM für Praktiker – Temperaturfelder“ Band 3,
5. Auflage (2009), EUR 83,00
„FEM für Praktiker – Elektrotechnik“ Band 4,
2. Auflage, (2009), EUR 84,00
Konstruktionsbegleitende Berechnung
mit ANSYS DesignSpace, FEM-Simulation für Konstrukteure,
EUR 49,90
ANSYS/ED Rev. 10.0 (10.000 Knoten / 1.000 Elemente)
Programm CD, EUR 178,50
CADFEM Users’ Meeting 2007 Conference Proceedings
CD-ROM mit einem Großteil der Vorträge, EUR 21,40
Produkte zu LS-DYNA
LS-DYNA/ED (10.000 Knoten)
Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, verfügbar auf allen
gängigen Plattformen,
Jahresmiete $ 154,70
LS-DYNA Hochschule
Programm CD mit LS-DYNA, LS-PrePost, LS-Opt, verfügbar
auf allen gängigen Plattformen, unlimitierte CPU-Anzahl,
Jahresmiete $ 1.547,00
Produkte zu FKM-Richtlinien
FKM-Richtlinie Bruchmechanik, deutsch:
„Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile“
3. Ausgabe 2006,
EUR 220,00
FKM-Richtlinie Festigkeit, deutsch:
„Rechnerischer Festigkeitsnachweis“
5. erweiterte Ausgabe 2003,
EUR 200,00
Hinweise
Alle Preise Stand August 2010. Alle Preise verstehen sich inklusive der ges. MwSt. und zuzüglich Versandkosten. Angebote freibleibend. Die Bestellung ist verbindlich, der Kaufvertrag kommt bei Büchern mit Zusendung an den Kunden zustande. Bei Softwarelieferungen muss der Kunde
durch Entsiegeln der Packung einen gesonderten Lizenzvertrag akzeptieren oder die Ware zurückschicken. Kunden, die nicht Unternehmer sind,
steht ein zweiwöchiges Widerrufsrecht zu. Achtung: Für Schweiz und Österreich gelten andere Preise! Nähere Informationen erhalten Sie bei der
CADFEM (Suisse) AG, Schweiz bzw. der CADFEM (Austria) GmbH, Österreich.
Absender
__________________________________________________________
Firma / Hochschule
__________________________________________________________
Abteilung / Institut
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Name, Vorname
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Titel
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Straße
__________________________________________________________
PLZ (Straße) und Ort
__________________________________________________________
Postfach
__________________________________________________________
PLZ (Postfach) und Ort
__________________________________________________________
Telefon
__________________________________________________________
Fax
__________________________________________________________
Land
__________________________________________________________
E-Mail
__________________________________________________________
Datum / Unterschrift
Bitte ausfüllen und per Post oder Fax senden an:
CADFEM GmbH · Marktplatz 2 · 85567 Grafing b. München · Telefon +49 (0) 80 92-70 05-0 · Fax +49 (0) 80 92-70 05-77
56
Infoplaner 02/2010
www.cadfem.de
A D R E S S E N C A D F E M U N D PA RT N E R
CADFEM GmbH
Zentrale Grafing
Marktplatz 2
85567 Grafing b. München
Deutschland
Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0
Fax +49 (0) 80 92-70 05-77
www.cadfem.de
Geschäftsstelle Berlin
Breite Straße 2a
13187 Berlin
Deutschland
Tel. +49 (0) 30-4 75 96 66-0
Fax +49 (0) 30-4 75 96 66-21
Geschäftsstelle Chemnitz
Cervantesstraße 89
09127 Chemnitz
Deutschland
Tel. +49 (0) 371-33 42 62-0
Fax +49 (0) 371-33 42 62-99
Geschäftsstelle Dortmund
Carlo-Schmid-Allee 3
PHOENIX-West Park
44263 Dortmund
Deutschland
Tel. +49 (0) 231-4 77 30-71 41
Fax +49 (0) 231-4 77 30-71 44
Geschäftsstelle Hannover
Pelikanstr. 13
30177 Hannover
Deutschland
Tel. +49 (0) 511-39 06 03-0
Fax +49 (0) 511-39 06 03-25
Geschäftsstelle Stuttgart
Leinfelder Str. 60
70771 Leinfelden-Echterdingen
Deutschland
Tel. +49 (0) 711-99 07 45-0
Fax +49 (0) 711-99 07 45-99
Schweiz
CADFEM (Suisse) AG
Zentrale Aadorf
Wittenwilerstraße 25
8355 Aadorf
Schweiz
Tel. +41 (0) 52-368-01-01
Fax +41 (0) 52-368-01-09
www.cadfem.ch
Indien
CADFEM Engineering Services India
PVT Ltd.
6-3-887, M.C.P. Arcade, 4th Floor
Baj Bhavan Road Somajiguda
500082 Hyderabad
Andhra Pradesh
Indien
www.cadfem.in
Geschäftsstelle Mittelland
Privatstrasse 8
4563 Gerlafingen
Schweiz
Tel. +41 (0) 32-675-80-70
Fax +41 (0) 32-675-80-74
USA
CADFEM US, Inc.
CU-ICAR Partnership Office
5, Research Drive
Greenville, SC 29607
USA
www.cadfem-us.com
Bureau Lausanne
Avenue de Cour 74
1007 Lausanne
Suisse
Tel. +41 (0) 21-601-70-80
Fax +41 (0) 21-601-70-84
Österreich
CADFEM (Austria) GmbH
Wagenseilgasse 14
1120 Wien
Österreich
Tel. +43 (0)1-5 87 70 73
Fax +43 (0)1-5 87 70 73-19
www.cadfem.at
Tschechien/Slowakei
SVS FEM s.r.o. (CADFEM CZ)
Skrochova 42
61500 Brno
Tschechische Republik
Tel. +42 (0) 543-254 554
Fax +42 (0) 543-254 556
www.svsfem.cz
Polen
MESco (CADFEM PL)
ul.Górnicza 20A
42-600 Tarnowskie Gory
Polen
Tel. +48 (0) 3 27 68 36-36
Fax +48 (0) 3 27 68 36-35
www.mesco.com.pl
Member of
Worldwide Partners
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Russland
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46, Suzdalskaya str.
111672 Moscow
Russland
www.cadfem-cis.ru
China
Anshizhongde Consultation (Beijing) Ltd.
(Pera-CADFEM)
Room 1207, Tower B, Winterless Center, No.1
West Dawang Road,
Chaoyang District, Beijing, P.R.C.
Zip:100026
China
www.peraglobal.com
Deutschland
DYNARDO GmbH
Luthergasse 1d
99423 Weimar
Deutschland
www.dynardo.de
inuTech GmbH
Fürther Straße 212
90429 Nürnberg
Deutschland
www.inutech.de
virtualcitySYSTEMS GmbH
Zellescher Weg 3
01069 Dresden
Deutschland
www.virtualcitysystems.de
Indien
Copf-Bionic India PVt. Ltd.
Office No. 101, Lldg. No. 1,
Gera Garden,
Koregaon Park
411001 Pune,
Maharashtra
Indien

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