August 2011

1. Prozessautomatisierung

Um einen Simulationsprozess für eine Variantengenerierung automatisieren zu können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• Der Prozess an sich muss komplett batchfähig sein. Bei Standard FE-Programmen ist diese Voraussetzung meist gegeben. Ein Simulationsprozess kann jedoch auch aus Teilprozessen bestehen: z.B. aus Preprocessing (Batch Meshing, Morphing, …) und Postprocessing (Berechnung kombinierter Ergebnisse, Auswertungen, …) oder dem Einsatz von Spezialsoftware (eigene Skripte, spezielle Berechnungsprogramme, …).
• Die Parameter für die Variantenerzeugung müssen in das Inputdeck voll automatisch eingebaut werden können. Im Fall von ASCII-Inputdaten kann dies einfach über ASCII-Parametrisierungen vorgenommen werden, indem Templates erstellt werden, die jeweils Platzhalter für die parametrisierende Variable enthalten.
• Die Ergebnisse müssen aus den Ergebnisdateien extrahiert werden können und dem Prozess zur Verfügung gestellt werden. Dies wird entweder über direkte Schnittstellen oder über die Definition von Extraktionsregeln realisiert.

Innerhalb eines Simulationsworkflows werden alle beteiligten Simulationen abgebildet. Ein Workflow kann einerseits sequenziell ablaufende Simulationsprozesse beschreiben, beispielsweise zur Übertragung von Temperaturen aus einer CFD-Analyse als Randbedingungen für eine thermo-mechanische Analyse. Andererseits kann er parallele Prozesse beinhalten, wie dies bei der simultanen Berücksichtigung mehrerer Simulationsdisziplinen der Fall ist - beispielsweise Crash und NVH.

Zur effizienten Berechnung der einzelnen Simulationen kann ein Rechencluster genutzt werden. Die Berechnungen werden aus dem Workflow heraus direkt angesteuert. Somit können die verfügbaren Rechnerressourcen effizient genutzt und unabhängige Analysen gleichzeitig berechnet werden.

2. Techniken zur Parametrisierung

Ein elementarer Bestandteil eines automatisierten Prozessablaufs ist der Einbau variabler Größen in das Simulationsmodell. Erst wenn die Parametrisierung der Eingabedaten vollautomatisch funktioniert, können Varianten automatisiert durchgespielt werden.

Diese Parametrisierung kann auf unterschiedlichen Ebenen stattfinden:

1. Ein Ansatz ist die Parametrisierung basierend auf einem parametrischen CAD-Modell. Die Parameter werden im CAD-System über externe Parameterdateien verändert und das CAD Modell wird mit den neuen Parametern aktualisiert. Diese modifizierte Geometrie wird dann in einem Batch-Meshing-Prozess diskretisiert, die Randbedingungen werden aufgebracht. Das so erstellte Simulationsmodell wird dann berechnet und die Ergebnisse beispielsweise von einem Optimierungssystem ausgewertet.
2. Ein anderer Weg ist der Einsatz parametrischer Modellierer. Hiermit können sehr schnell parametrisch erzeugte Geometrien aufgebaut werden, die sich schnell „durchvariieren“ lassen und direkt ein assoziatives Netz erzeugen. Wegen des geringen Zeitaufwands eignen sich diese Modelle besonders zur Optimierung.
3. Wenn in einem Konstruktionsprozess bereits ein hochwertiges Netz vorliegt, das man für die Optimierung heranziehen möchte, kann eine Parametrisierung mittels Morphing durchgeführt werden. Basierend auf der existierenden Netztopologie werden Morphing-Boxen erstellt, in die das FE-Netz eingeladen werden kann. Als Parameter zur Veränderung können nun die Kontrollpunkte des Morphing-Gitters herangezogen werden – die Knoten des FE-Modells werden dann aufgrund ihrer Position im Morphing-Gitter verschoben. So lassen sich selbst aufwendig, manuell erstellte Netze effizient

4. parametrisieren, für deren Bauteilgeometrie eine vollautomatische Vernetzung unmöglich wäre.
5. Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Parametrisierung basierend auf den ASCII-Eingabedatensätzen des Simulationsmodells. Hierbei können direkte Modelleigenschaften modifiziert werden (Blechdicken, Materialeigenschaften, Randbedingungen, …). Diese Art der Parametrisierung ist sehr schnell, erlaubt jedoch meist keine geometrischen Änderungen des Modells.

3. Der Optimierungsprozess in Verbindung mit parametrischen  CAD-Modellen

Die Nutzung parametrischer CAD-Modelle hat den großen Vorteil, dass Modifikationen direkt auf dem CAD-Modell durchgeführt werden und somit jede Variante auch als CAD-Modell existiert. Ein beispielhafter Optimierungsprozess soll im Folgenden in Verbindung mit OPTIMUS von NOESIS  und NX von SIEMENS vorgestellt werden. Besonders ist hierbei die Nutzung der CAD-und CAE-Funktionalität von NX, was einen durchgängigen Prozess vom CAD Modell zum vollständigen Simulationsmodell erlaubt.

3.1 Datenmodell

Innerhalb von NX steht ein durchgängiges, assoziatives Datenmodell zur Verfügung, das eine Modifikation geometrischer Größen und deren automatische Umsetzung im Simulationsmodell erlaubt. Die Datenstruktur ist folgendermaßen aufgebaut:

1. CAD-Geometrie
   Dieses Modell enthält die CAD-Geometrie mit allen konstruktiven Details. Die Konstruktionshistorie und sämtliche Konstruktionsparameter sind auf dieser Ebene verfügbar.
2. Idealisierte Geometrie
   Assoziativ verknüpfte Geometrie, die es dem Berechner ermöglicht, kleine Details (Bohrungen, Radien, Fasen, …), die für das Berechnungsmodell nicht relevant sind, aus dem Geometriemodell zu entfernen, ohne indes die Originalkonstruktion zu verändern. Für das Defeaturing stehen auch automatisierte Funktionen zur Verfügung.

3. CAE-Netz
   FE-Diskretisierung. Für die entsprechende Simulationsdisziplin geeignetes FE-Netz. Für eine CAE-Geometrie können hier unterschiedliche Netze hinterlegt werden, welche die unterschiedlichen Anforderungen der entsprechenden Simulationsdisziplinen erfüllen.
4. CAE-Simulation
   Im Simulationsobjekt werden die detaillierten Randbedingungen und Belastungssituationen definiert. Hierbei können für jedes FE-Netz mehrere Randbedingungssätze in Form von Lastfällen definiert werden, um unterschiedliche Belastungssituationen berücksichtigen zu können.

3.2 Durchgängige Bauteilveränderung

Die Modifikation der Struktur kann nun basierend auf dem Geometriemodell vorgenommen werden. Einzelne, definierte Parameter werden dabei verändert und automatisch im Geometriemodell aktualisiert, dies sind beispielsweise die Achslängen der einzelnen Querschnitte im Beispielmodell. Da Modifikationen für einen Optimierungsprozess ohne manuelle Interaktion ausgeführt werden müssen, werden die Parameteränderungen in einem externen File spezifiziert und in diesem von OPTIMUS über einen templatebasierten Parametrisierungsansatz modifiziert. Dieses sogenannte „Expressions File“ wird dann in NX gelesen und die aktuellen Parametereinstellungen werden vollautomatisch auf das Geometriemodell aufgebracht.

Über ein Update des assoziativen Simulationsmodells werden die Änderungen in der Geometrie auf die CAE-Geometrie übertragen und das damit verknüpfte FE-Netz aktualisiert. Die Randbedingungen und Belastungen sind geometriebasiert definiert und werden somit automatisch auf die neue Geometrie übertragen.

4. Der Optimierungsprozess in Verbindung mit Netzparametrisierung über Morphing

Netzmorphing ist eine Technologie, die eine Parametrisierung von existierenden FE-Netzen ermöglicht. Der Vorteil hierbei ist die Möglichkeit der  Nutzung von bereits lauffähigen Simulationsmodellen, die schon sämtliche Lastfalldefinitionen enthalten. In vielen Fällen ist eine automatische  Vernetzung nicht möglich, die Netze der Simulationsmodelle werden dann manuell im FE-Preprozessor aufgebaut. Dies ist bei komplexen Geometrien notwendig oder bei gewissen Anforderungen an die Vernetzungsqualität, wenn beispielsweise Hexaeder-Netze gefordert sind. In diesem Fall ist es nicht möglich, eine modifizierte Geometrie automatisch zu vernetzen.

Beim Netzmorphing werden FE-Netze nachträglich parametrisiert, indem ein Morphing-Gitter um die zu modifizierende FE-Geometrie aufgebaut wird. Für die Bauteilveränderung werden dann die Gitterpunkte des Morphing-Gitters verschoben und somit die Form der Morphingboxen verändert. Die Knoten des FE-Netzes werden dann aufgrund ihrer Position in der entsprechenden Morphingbox mit verschoben und somit kann die Bauteilform verändert werden, bei gleichbleibender Netztopologie. Randbedingungen und Lastfalldefinitionen bleiben von diesem Prozessunberührt.

Bei großen Änderungen der Geometrie kann es eventuell notwendig sein, bestimmte Bereiche neu zu vernetzen. Diese Neuvernetzung kann
automatisch basierend auf Netzqualitätskriterien angestoßen werden. ISKO engineers verwendet für die Morphing basierte Netzveränderung das System ANSA von BETA-CAE.