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Der kurze Weg zum optimalen Design

Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg werden am Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth zwei höchst interessante Programme entwickelt: Z88Aurora und Z88Arion. Diese kostenlosen Programme eignen sich nicht nur zur Ausbildung, sondern können auch von Unternehmen und Forschungseinrichtungen nutzbringend eingesetzt werden.


Geht es darum, Konstruktionen aus dem Maschinen-, Fahrzeug- oder Flugzeugbau gewichtsoptimiert auszuführen, so führt kein Weg an der sogenannten Finite-Elemente-Methode (FEM) vorbei. Damit ist es möglich, Teile hinsichtlich ihrer Festigkeit sowie Steifigkeit ohne aufwendige reale Testläufe vorab am Computer zu untersuchen.

Damit dies möglich wird, müssen die zu untersuchenden Geometrien zunächst mit einem 3D-CAD-Programm erzeugt und per FEM-Programm mit einem virtuellen Netz überzogen werden, das sich aus einer großen, doch endlichen Anzahl von Volumina zusammensetzt. Diese Volumina werden als ›finite Elemente‹ bezeichnet und können unterschiedliche Formen aufweisen, wie zum Beispiel Würfel (Hexaeder) oder dreiseitige Pyramiden (Tetraeder).

Einzelne Elemente sind mechanisch relativ einfach zu beschreiben. Dadurch wird es möglich, beliebige geformte Geometrien zu berechnen, indem diese aus einer Vielzahl an Elementen zusammengesetzt werden. Natürlich werden in den Berechnungen die Eigenschaften des Materials zugrundegelegt, aus dem das zu betrachtende Bauteil besteht. Durch die Unterteilung eines Körpers in viele kleine, finite Elemente entsteht ein großes Gleichungssystem, welches händisch nicht mehr lösbar ist. Hierzu kommen numerische Berechnungsverfahren zum Einsatz, welche mit den heutigen PCs schnell gelöst werden können. Die so ermittelten Werte für Verformungen und Spannungen werden anschließend genutzt, um eine Grafik zu erzeugen, die in anschaulicher Weise die Belastungen auf das Bauteil repräsentiert und weitere Aussagen, etwa zur Identifikation überlasteter Bereiche, ermöglicht.

Da diese Art von Berechnung für die Konstruktion moderner Kraftfahrzeuge, Maschinen oder Flugzeuge immer wichtiger wird, haben viele High-End-CAD-Programme derartige FEM-Module bereits von Haus aus mit dabei. Wird eine CAD-Software verwendet, die nicht über ein FEM-Modul verfügt oder dessen Funktionsfähigkeit nicht ausreicht, so kann auf dem Markt auch externe FEM-Software erworben werden. Diese verfügen über Importfunktionen, um CAD-Modelle zu importieren.

Kostenlose Alternative

In der Regel sind externe FEM-Module jedoch nicht für jedes Budget geeignet, was insbesondere Klein- und Mittelständische Unternehmen betrifft. Da kommt die Lösung der Universität Bayreuth gerade recht: Unter dem Namen ›Z88Aurora‹ haben die Entwickler unter der Leitung von Professor Frank Rieg ein kostenloses FEM-Programm entwickelt, das sich nicht hinter den Lösungen von CAD-Giganten oder FEM-Spezialisten verstecken muss.

War dieses FEM-Programm bislang auf lediglich ein einziges Bauteil beschränkt, so ist Z88Aurora in der neuesten Version V4 nun sogar in der Lage, mehrere sich berührende Bauteile zu berechnen. Dies ist für eine kostenlose Software mehr als bemerkenswert. Natürlich darf nicht übersehen werden, dass das Programm seine Grenzen hat, doch diese werden wohl in vielen Fällen nicht annähernd erreicht, sodass Z88Aurora sich für viele Zwecke als völlig ausreichende FEM-Lösung empfiehlt. Beispielsweise ist Z88Aurora bisher nicht für dynamische Analysen ausgelegt. Damit ist es ausgeschlossen, etwa Crash-Analysen durchzuführen, wie sie in der Kraftfahrzeugindustrie üblich sind.

Besonders hervorzuheben ist, dass das Programm völlig frei von versteckten, heimlich arbeitenden Funktionen ist. Es werden beispielsweise keine Daten vom eigenen PC abgegriffen und zum Hersteller transferiert. Eine eigentlich selbstverständliche Eigenschaft, die immer mehr Hersteller von Software missachten. Alles, was die Programmierer eingebaut haben, ist eine Feedback-Funktion, um das Programm gezielt hinsichtlich der Kundenwünsche weiterentwickeln zu können. Diese Abfragefunktion meldet sich einmalig nach dem zehnten Start von Z88Aurora, danach nie wieder.

Ohne Fallstricke

Es ist daher jede Skepsis unbegründet, ob Z88Aurora als kostenloses Programm nicht doch heimlich Schindluder treibt, um sich mit vom PC abgegriffenen Daten zu finanzieren. Das hat die Universität Bayreuth nicht nötig, da sie sich hauptsächlich über öffentliche Fördermittel sowie über Drittmittel finanziert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse der Öffentlichkeit kostenlos in Form der genannten Softwareprodukte zur Verfügung stellt.
Unternehmen sollten beachten, nicht die Freewareversion einzusetzen, sondern zur kostenfreien Lizenzversion zu greifen, damit auch Haftungsfragen, die bei der Nutzung des Programms entstehen, geregelt sind.

Wem der gebotene Leistungsumfang für seine ganz speziellen, betrieblichen Zwecke nicht reicht, der kann mit den Herstellern Kontakt aufnehmen und sich eine passende Version von Z88Aurora maßschneidern lassen. Die dadurch erwirtschafteten Drittmittel sind eine wichtige Grundlage, um Z88Aurora nutzbringend weiterentwickeln zu können. Die Option einer angepassten Version sollten Verantwortliche von Unternehmen ernsthaft in den Blick nehmen, da sich mit einer derartigen Version die Möglichkeit ergibt, in ähnlicher Form immer wieder vorkommende Standardkonstruktionen mit nur wenigen Mausklicks durchrechnen zu lassen.

So lassen sich beispielsweise Kugellager, Zahnräder oder ganze Getriebe per Parameterbestimmung in Windeseile als FE-Modell aufbauen und deren Eigenschaften per FE-Analyse abschätzen. Ein unschätzbarer Vorteil hinsichtlich der Entwicklungszeit neuer Produkte und ein echter Trumpf in Bezug auf ›Time to Market‹.

Insgesamt haben bereits über 200 gewerbliche Nutzer Z88Aurora im Einsatz. Sie verwenden in vielen Fällen das Programm wegen seiner bemerkenswert kurzen Antwortzeiten – die kommerziellen Programmen in nichts nachstehen – für eine schnelle, erste Abschätzung von Konstruktionen. In größeren Unternehmen erfolgt die genaue Ausarbeitung anschließend mithilfe eines kommerziellen FEM-Programms, worauf KMU dank der Qualität der kostenlosen Software aus Bayreuth jedoch oft verzichten können.

Leicht zu erlernen

Das in C programmierte Programm Z88Aurora ist auch für Anfänger keine unüberwindbare Hürde, da zahlreiche Hilfen nur einen Mausklick entfernt sind. So gibt es beispielsweise den sogenannten ›Spider‹, mit dessen Hilfe Schritt für Schritt eine Aufgabe gelöst werden kann. Wer sich lieber Videos zu den Funktionen ansieht, der findet 20 Videos im Programm vor, die anschaulich erläutern, wie Z88Aurora zu handhaben ist. Natürlich gibt es auch ein PDF-Handbuch, in dem die Funktionen von Z88Aurora sehr anschaulich erläutert werden.

Der große Leistungsumfang von Z88Aurora zeigt sich auch im Solver, der Verschiebungen, Spannungen, Temperaturen und Knotenkräfte berechnen kann. Die Ergebnisse der Rechenläufe werden mittels eines Postprozessors in aussagekräftige Grafiken umgesetzt.

Clevere Konstruktionshilfe

Da die Konstruktion von gewichtsoptimalen Teilen trotz FEM-Hilfe eine Kunst für sich ist, die sich Ingenieure und Techniker in langen Jahren erarbeiten müssen, haben die Macher von Z88Aurora ein weiteres Programm ersonnen: Z88Arion. Mit Z88Arion gibt es nun einen innovativen Meilenstein, um in kurzer Zeit zu akzeptablen Konstruktionslösungen zu kommen.

Dieses Programm ist in der Lage, innerhalb eines vom Konstrukteur definierten Bauraums automatisch Topologieoptimierungen vorzunehmen. Dies bedeutet, dass eine Struktur erzeugt wird, die mit den definierten, auftretenden Lasten problemlos zurechtkommt, ohne unnötig viel Material zu beanspruchen. Z88Arion ist demnach in der Lage, dem Leichtbau einen gehörigen Schub zu geben, da mit diesem Programm nicht nur erfahrene Konstrukteure umgehen können.

Der Anwender kann zwischen den Verfahren ›Optimality Criteria‹ (OC), ›Soft Kill Option‹ (SKO)und ›Topology Optimization for Stiffness and Stress‹ (TOSS) wählen. Diese Verfahren ermöglichen es, das Ergebnis des Optimierungslaufes hinsichtlich gewünschter Eigenschaften zu beeinflussen.

So erzeugt beispielsweise das Optimality Criteria-Verfahren einen Designvorschlag, der eine maximale Steifigkeit bezüglich eines vorher festgelegten Volumens aufweist, während das Design beim Soft Kill Option-Verfahren eine maximale Festigkeit besitzt.

Vielfach ist jedoch eine Kombination von maximaler Steifigkeit und maximaler Festigkeit gewünscht, weshalb unter Prof. Rieg ein eigener Algorithmus entwickelt wurde: Das mit dem Verfahren ›Topology Optimaziation for Stiffness and Stress‹ erzeugte Design ist eine Kombination der beiden vorhin vorgestellten Verfahren. Das Ergebnis ist ein spannungsoptimierter Vorschlag der angestrebten Konstruktion. Bemerkenswert ist, dass der Anwender verschiedene Zwischenschritte des Berechnungslaufes betrachten und einen davon als Lösung verwenden kann.

In der Regel fallen die berechneten Strukturen recht grob aus, weshalb Z88Arion über eine Glättungsfunktion verfügt, um den Mangel zu beheben. Ist der Anwender mit dem Ergebnis zufrieden, kann die Struktur im STL-Format exportiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Volumenmodell beispielsweise in CAD-Programmen oder für die additive Fertigung weiter zu nutzen. Darüber hinaus existiert eine direkte Schnittstelle zu Z88Aurora, sodass ein FEM-Rechenlauf des erzeugten Volumenmodells unmittelbar nach dessen Entstehung durchgeführt werden kann.

Der Einsatz von Z88Arion erlaubt es, Konstruktionen mit massiv weniger Materialeinsatz zu entwerfen, was natürlich eine erhebliche Kostensenkung für produzierende Unternehmen bedeutet. Werden diese Bauteile in Fahrzeugen eingebaut, bedeutet dies einen Gewichtsvorteil, der mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch einhergeht.

Kein Wunder, dass beide Programme schon bei vielen innovativen Unternehmen, sowie Forschungs- und Bildungseinrichtungen im Einsatz sind. Schließlich ist Leichtbau ein Zukunftsthema, an dem niemand mehr vorbeikommt. Umso schöner, dass Z88Aurora und Z88Arion entgeldlos zur Verfügung stehen, sodass auch Studenten mit wenig Budget sich fit für die Zukunft machen können.

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Diesen Artikel finden Sie auch in Ausgabe 2/2019 auf Seite 58. Zum besagten Heft führt ein Klick auf den nachfolgenden Button!

PDF-Heft

Mehr Informationen zur Uni Bayreuth und Z88:

Kontakt  Herstellerinfo 
Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD
Universität Bayreuth
Universitätsstr. 30
95447 Bayreuth
Tel.: +49 (0) 921 55 7191
Fax: +49 (0) 921 55 7195
E-Mail: konstruktionslehre.cad@uni-bayreuth.de
www.z88.uni-bayreuth.de
Download Z88Aurora:
www.z88.de

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