Neues FEM-Analyse-Konzept

Fokus/Simulation

Ein neues Simulationskonzept hat SMS Meer für Rohrschweißanlagen entwickelt. Damit liegen die Berechnungen näher an der Realität als mit den bisher üblichen Methoden.

01. März 2012

Die heute schon in die 3-D-Konstruktionsarbeit integrierte Simulationsberechnung bei SMS Meer ist nicht nur leicht und logisch in der Anwendung, sondern aufgrund ihrer Struktur auch vollständig frei konfigurierbar. SMS Meer hat drei Elemente mit Erfolg kombiniert: 3D-CAD, FEM und den tatsächlichen Prozess.

Altes Vorgehen mit Begrenzungen

SMS Meer berechnet Rohrformprozesse bereits seit geraumer Zeit mit FEM-Werkzeugen (Finite Elemente Methode). Allerdings bestanden zwischen dem Computermodell und der Situation in der Praxis Abweichungen. Die Gründe lagen in der Begrenzung der zur Verfügung stehenden Technologien. Beispiel: Die Berechnungen wurden mit einem optimierten MSC.Marc-Solver durchgeführt. Beim verwendeten Gitter handelte es sich um ein Hexaedergitter über mehrere Layer – je nach Banddicke. In der Praxis hatten sich Einfach-Layer-Modelle als guter Zeit-Nutzen-Kompromiss erwiesen. Maschinen- und Walzendaten wurden über ein 2D-CAD-System eingegeben, in einigen Fällen über vorgefertigte Masken oder Tabellen.

Die Walzen drehten sich im Modell nicht und wurden als Gleitkörper definiert. Da Reibung grundsätzlich nur über Umrechnungen berücksichtigt wurde, setzte man sie in der Praxis oft nicht ein, da sie zu relativ ungünstigen und oft auch unrealistischen Ergebnissen führte. Die Werkstoffdaten der verschiedenen Stähle flossen nur in Bezug auf ihre Umformfestigkeit ein. Es wurden nur Fließkurven von Normwerkstoffen verwendet. Hier wurde von den SMS-Meer-Experten festgestellt, dass eine derartige Berechnung nicht den gesamten Umfang des Biegeprozesses darstellen kann.

Neuer, fortschrittlicher Ansatz

Wichtiges Ziel war also, ein FEM-Berechnungsmodell zu schaffen, das so realistisch wie möglich sein sollte. Genauso, wie dies von jeder FEM-Berechnung verlangt wird. Daher mussten mehr Informationen als bisher verarbeitet werden, um die früheren Simulationsresultate weiter zu verbessern. Die bisherigen Resultate lieferten zwar eine gute Basis, sollten aber durch die weitere Entwicklungsarbeit bei SMS Meer auch spürbar realistischer werden. Um dies zu verifizieren, hatte SMS Meer ständigen Kontakt mit Anlagenbetreibern und hat die Berechnungsergebnisse überprüft. Messungen an aktuellen Erzeugnissen und Vergleiche mit den Simulationsdaten hatten bereits gezeigt, dass die bisherigen Berechnungen die Realität ziemlich genau darstellten. Nun galt es, dies zu optimieren.

Lösung mit Anbindung an Konstruktionsdaten

Die komplexe parametrische 3D-Auslegung von Rohrschweißanlagen unter Einsatz des CAD-Systems ›Pro/Engineer Wildfire 3.0 (M230)‹ von PTC ermöglicht nicht nur die Erstellung von Kollisionsanalysen und ein nahezu perfektes Konstruktionssystem, sondern dieses System stellt auch hervorragende Verbindungsmöglichkeiten zu FEM-Systemen zur Verfügung. Die Anbindung von FEM-Systemen an die Konstruktionsdaten war somit ein logischer Schritt.

Frühzeitige Nutzung

Über die bisher unabhängigen FEM-Simulationen hinaus bindet SMS Meer nun diese Technik tief in die CAD-Umgebung der Konstruktionsarbeiten ein. Der Vorteil: Der Einsatz von FEM-Berechnungen kann schon frühzeitig während der Entwicklung von Neuanlagen und für die Erstellung neuer Konzepte genutzt werden.

Dabei hat SMS Meer festgestellt, dass man insbesondere bei der Zusammenstellung der Simulationsdaten von dieser Vorgehensweise profitiert, da bereits alle notwendigen Daten im 3D-Format vorliegen. Pro/Engineer verknüpft geometrische Daten und Positionen direkt mit speziellen Einstellungen quer über die verschiedenen Abteilungen innerhalb des Unternehmens.

Alle Daten sind über das System PDMLink 9.1 (M020) in Echtzeit verfügbar und dort bereits eingebunden. Es bietet sich daher an, diese Strukturen zu verwenden und sie auch für die Simulation zur Verfügung zu stellen. SMS Meer führte ein umfangreiches Benchmarking durch. Das Simufact.forming-System eignete sich auf allen Gebieten am besten und es besitzt darüber hinaus ein hohes Integrationsvermögen.

Reale Kinematik der Walzen

In einer Berechnung sollten sich die Walzen genauso wie in der Wirklichkeit verhalten. Die Walzen wurden daher als sich drehende Körper definiert, teilweise auch angetrieben. Die Drehachsen sind direkt in der Simulations-Software definiert. Die Reibung der Walzenoberflächen wird mit dem Coulomb-Reibungsmodell berücksichtigt. So kann auch ein realistisches Transportverhalten, etwa in der Kalibrierstrecke, berechnet werden.

Vereinfachtes Konstruieren per ›Drag and Drop‹

Mit diesem Schritt wurde eine Methode entwickelt, bei der sich die Kontaktgeometrien direkt in die Simulationsumgebung übertragen ließen, das heißt, übertragen wurde die Kontaktgeometrie aller Walzen einschließlich des Bandes sowohl in Bezug auf die Abmessungen als auch die Lage. Damit ist nun die Realisierung einer flexiblen und uneingeschränkten Änderung der Maschineneigenschaften möglich – ein wesentlicher Fortschritt in der Konstruktion. Denn jetzt ist die Eingabe der vollständigen Positionierung und der Walzengeometrien nicht mehr erforderlich, da diese bereits im CAD-System vorliegen.

Wie komplex die Position der Form-Elemente auch sein mag, es reicht ein einzelner Mausklick zu ihrer genauen Positionierung. Komplexe oder auch exotische Anlagenkomponenten erfordern nun keine zusätzlichen Module. Die aufwendige manuelle Eingabe von Koordinatenwerten in Tabellen entfällt ebenfalls. Übertragungsfehler sind damit sicher ausgeschlossen.

›Unbegrenzte‹ Flexibilität in der Auslegung

Für einen Anlagen- und Maschinenbauer wie SMS Meer ist es elementar, vollständig neue Ideen und sogar unrealisierte Ideen ohne großen Aufwand ausprobieren zu können. Die Möglichkeiten des 3D-Systems sind unbegrenzt, ebenso unbegrenzt sind nunmehr auch die Möglichkeiten einer Erprobung dieser Systeme.

Eine realistische Simulation ist nur mit Daten aus praktischen Anwendungsfällen sinnvoll. Wenn nicht nur

eine qualitative, sondern auch eine quantitative Analyse gefordert wird, ist die Anwendung der richtigen Fließkurve unerlässlich. Die plastische Verformung wird mit dem Plastizitätsmodell eines Kaltverformungsprozesses unter Verwendung der Ludwig’schen Gleichung berechnet.

Ein weiteres Ziel der Ingenieure von SMS Meer ist daher die Verwendung von bereits früher erhaltenen Fließkurven für die aktuell verwendeten Werkstoffe als Grundlage für den Umformungsprozess. Hier kann SMS Meer nicht nur auf eine umfangreiche Datensammlung zurückgreifen, sondern verfügt auch über langjährige Kontakte zu Instituten, die auf diesem Gebiet tätig sind. In einigen Fällen werden die Werkstoffproben vom Kunden direkt an SMS Meer geschickt.

Tube Halle 7a, Stand B15+B16

Hintergrund

Die SMS group unter dem Dach der SMS Holding GmbH gliedert sich in die Unternehmensbereiche SMS Siemag und SMS Meer. Die beiden Unternehmensbereiche werden als selbstständige Teilkonzerne geführt, die eng zusammenarbeiten. Alleineigentümer der SMS Group ist die Siemag Weiss GmbH & Co. KG, die Holding der Unternehmerfamilie Weiss. Die SMS Meer GmbH ist das Nachfolgeunternehmen der 1872 gegründeten Gebrüder Meer GmbH, die zuerst Textil- und Dampfmaschinen hergestellt hat. Gebrüder Meer wurde 1926 von Mannesmann übernommen. 1975 erfolgte die Integration in die Mannesmann D

Erschienen in Ausgabe: 02/2012