Die Anwendung von Computer- Aided- Engineering (CAE) ermöglicht die virtuelle Entwicklung von Maschinen, Bauteilen und Anlagen innerhalb kürzester Zeit. Dabei werden Entwürfe und Konstruktionen durch entsprechende Simulationen virtuell „getestet“, ohne dass ein teurer Prototyp gebaut werden muss.
Definition von CAE (Computer Aided Engineering)
Unter Computer Aided Engineering versteht man sowohl Hardware, als auch Softwarelösungen, die zur rechnergestützten Simulation von physikalischen Problemen bei der Entwicklung von Maschinen und Anlagen zum Einsatz kommen. Dabei verwenden diese Programme eingespeiste 3-D-Modelle von Bauteilen und mathematischen Modellsystemen, um eine näherungsweise numerische Lösung zu erzeugen. So berechnet man beispielsweise entstehende Spannungen durch das Einwirken von verschiedenen Kräften, aber auch Magnetfelder und Wärmemengen. Die CAE Anwendung bringt in der Praxis vor allem eine enorme Zeit- und Kostenersparnis mit sich.
Beispiele für Anwendungen von Computer Aided Engineering
Die Vorgehensweise bei der Anwendung von Computer Aided Engineering ist zunächst unabhängig von den zu untersuchenden physikalischen Phänomenen ähnlich. Zuerst erfolgt dabei in der Regel eine Vereinfachung der 3D- Konstruktionsmodelle und die Vorbereitung zur Überführung in ein entsprechendes Rechenmodell.
Finite-Elemente-Methode (FEM)
Ein klassischer Einsatz ist beispielsweise die Konstruktion und Entwicklung von Bauteilen. Dabei wird CAE in unterschiedlichen Varianten eingesetzt, um statische oder dynamische Belastungen im Vorfeld zu prüfen. So kann beispielsweise eine Auswahl an verschiedenen Materialien für ein bestimmtes Bauteil auf ausreichende Festigkeit im späteren Betrieb getestet werden.
Ein prominentes Beispiel für diese Art der Nutzung ist die Finite-Elemente-Methode FEM, zur Bestimmung der Spannungsverteilung unter der Einwirkung von Belastungen in Bauteilen. Auf diese Weise wird sowohl die Konstruktion als auch der Einsatz der optimalen Materialien vor Erstellung eines Prototyps optimiert.
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Ein weiterer wichtiger Bereich einer CAE Anwendung ist die computergestützte Fluiddynamik, besser bekannt unter dem englischen Namen Computational Fluid Dynamics (CFD). Mit anderen Worten ermöglicht CFD die Simulation von Strömungsprozessen. Diese beschreiben unter anderem das Verhalten von Flüssigkeiten sowie von Gasen und findet besonders bei natürlich vorkommenden Prozessen Anwendung. Beispiele hierfür sind die Untersuchung von Wetterphänomenen, die Messung der Aerodynamik in der Automobil- und Luftfahrtindustrie oder das Fließverhalten von Wasser oder Öl in Rohrsystemen.
Spritzgießsimulation (Mold flow)
Mit einer Spritzgußsimulation können wir den Herstellungsprozess Ihres Spritzgießteils abbilden. So ist es möglich, Rückschlüsse auf die optimale Beschaffenheit von Form, Lage der Anspritzpunkte und andere relevante Prozessparameter zu ziehen. Schwindung, Verzug, Lufteinschlüsse, sowie andere möglichen Fehler, die beim Spritzgießprozess auftreten, können so größtenteils identifiziert und vermieden werden. Dadurch werden in der Praxis erhebliche Kosten gespart, wenn die für den Bau der Form relevanten Parameter entsprechend durch vorausgehende Simulation ermittelt werden.
Kinematik und Dynamik von Mehrkörpersystemen
Mit den sogenannten Mehrkörpersimulationen werden kinematische und dynamische Wechselwirkungen von Systemen mit mehreren verbundenen Komponenten bestimmt. Bei dieser CAE Anwendung kann es sich um starre oder flexible Körper handeln. Daher findet die MKS zum Beispiel in Feldern wie der Biomechanik, der Partikelsimulation sowie der Robotik Anwendung. Auch hier dient die Simulation vor allem dazu, teure Prototypenherstellung und spätere Schadensfälle auszuschließen.
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