FEA / CFD / CHT / MKS

FE-Strukturanalyse

Die Finite-Elemente-Analyse FEA wird bei ISATEC auf Basis jahrzehntelanger Erfahrung effizient und zielgerichtet in den Projekten angewendet.

In diesen Struktursimulationen werden z. B. Rahmen, Gehäuse, Komponenten, Maschinenelemente, Rotoren, Druckbehälter und Tragestrukturen untersucht. Anhand der berechneten Verformungen, Spannungen und Eigenfrequenzen werden die Festigkeit sowie Steifigkeit und die Vermeidung von Schwingungsanregung geprüft. Dies erfolgt bereits im frühen Konstruktionsstadium mit groben Modellen und im weiteren Projektverlauf werden mit der ausgeführten Konstruktion die Nachweise geführt.

In der Abbildung wird die 1. Eigenfrequenz eines schlanken Bauteils anhand eines Verseilrotors gezeigt.

Strömungssimulation CFD / CHT

Mit der Strömungssimulation CFD (Computational Fluid Dynamics) können verschiedenste Medien bei unterschiedlichen Randbedingungen betrachtet werden. Z. B. werden diverse Luftströmungen an Fahrzeugen berechnet, um unter den unterschiedlichsten Fahrsituationen eine optimale Anströmung der Kühler und damit eine jederzeit optimale Kühlleistung zu garantieren.

Bei ISATEC wird standardmäßig für Simulationen im Bereich der Wärmeübertragung die CHT Methode eingesetzt, die in dem etablierten CFD-Tool FloEFD implementiert ist. Bei dieser Methode werden gleichzeitig die Temperaturverteilungen im Fluid und im Festkörper berechnet. Ziel ist, die Temperaturverteilung und damit die Temperaturgradienten mit großer Zuverlässigkeit simulieren zu können. Zum einen lassen sich damit der Druckverlust und der Wärmeübergang berechnen, zum anderen können basierend auf den Temperaturfeldern Festigkeitssimulationen der Struktur durchgeführt werden, wodurch kritische Stellen der Geometrie identifiziert und durch Anpassung der Konstruktion entschärft werden können.

Für die Analyse von Strömungs- und Wärmetransportvorgängen setzen wir auf eine enge Kopplung von CAD und CFD-Tools, wodurch wir die Bearbeitungszeit von CFD-Simulationsprojekten drastisch gegenüber der klassischen CFD verkürzen. Im Entwicklungsprozess können dadurch schon viele Varianten untersucht werden, so dass eine zielführende Optimierung erfolgt. Die Anwendungsbereiche reichen von kleinskaligen EDV-Prozessor-Kühlern über die Befüllung von Druckbehältern bis zur Umströmung von Fahrzeugen.

Anwendungsgebiete der Strömungssimulation

Wärmeübertrager (Luft- und Wasserkühlung)
Kühlung von E-Motoren und Generatoren (luft- und wassergekühlt)
Gleichverteilung der Kühlmedien innerhalb komplexer Kühlerstrukturen Kühleranordnungen
Kühlung von Elektronikkomponenten (Leistungselektronik, GPU-Kühler) von der Skala eines Einzelkühlers über Rack-Einschübe, High-Performance-Computing Container zu Datamining-Centern mit über 40 HP-Rechencontainern
Klimatisierung und Analyse thermischer Isolierungskonzepte unter Berücksichtigung des Sonnengangs
Wasserstoffspeicherung mit 700 bar
Fahrzeugumströmung (Kühlluft und Abgasverteilung z. B. bei Lokomotivverbänden)
Motorraumdurchströmung
Abgasgegendruck in Abgasanlagen
Ladungswechselsimulation bei Verbrennungskraftmaschinen
Mehrphasenströmung (z.B. Gewässerbelüftung)
Ölfilter und Ölabscheider
Strömung mit Verbrennung (Nachbrenner bei SOFC-Systemen)
Strömung in Ringtrocknern
Geometrieoptimierung mit Adjoint-Methoden (Optimierung der Gleichverteilung und Druckverlustreduktion)

Eingesetzte Simulationstools

FloEFD
OpenFoam

Projektbeispiele

Mehrkörpersimulation MKS

Mechanismen bzw. Getriebe werden zur definierten Führung von Bauteilen oder auch zur Übertragung von Kräften und Bewegungen genutzt. Ein einfaches Beispiel für ein Übertragungsgetriebe ist der dargestellte Kniehebel (in der Abbildung links), bei dem die Eingangskraft Fin in die Ausgangskraft Fout umgewandelt wird. Durch die Kinematik des Kniehebels wird die Eingangskraft in Richtung der Strecklage immer weiter verstärkt, in der Abbildung rechts. Diese Eigenschaft wird z. B. in Press- oder Klemmvorrichtungen genutzt.

ISATEC ist kompetenter Partner von der Konzeption (Synthese) von Bewegungsmechanismen, über deren Auslegung bis hin zur auskonstruierten Lösung. Dabei werden die Simulationsmethoden der Dynamik der Mehrkörpersysteme (MKS) zur Berücksichtigung von Effekten wie Trägheitskräfte/-momente und Kreiseleffekte eingesetzt, auch bei komplizierten Mechanismen. Ergebnisse der MKS sind der Bewegungsverlauf und auch die dazugehörigen Belastungen. Durch die Kombination der MKS mit der Finite Elemente Methode (FEM) können auch die Elastizität der Bauteile und die auftretende Beanspruchungen in den Bauteilen direkt für den gesamten Bewegungsablauf bestimmt werden, was beispielhaft in der Abbildung für ein Koppelglied gezeigt wird.