Software

Mehr Varianten in kürzerer Zeit

Um komplexe Satellitenentwürfe schneller bewerten zu können, setzt der Raumfahrtspezialist Astrium die Femap-Software von Siemens PLM Software ein. Simulationsmodelle lassen sich auf diese Weise schneller zusammenstellen und die Ergebnisse zügiger auswerten. Der Pluspunkt dabei: Über die Wissensdatenerfassung können Teile und Untersysteme wiederverwertet werden, was den Zeitaufwand senkt. Das ist vor allem für die Analytiker von Vorteil, die unter konstantem Zeitdruck arbeiten müssen.
12-m-Mock-up der Trägerrakete Ariane 5. Astrium liefert neben Satellitensystemen und -dienstleistungen auch Raumtransportsysteme. (Bild: Astrium)

Navigation, Fernsehübertragungen oder langfristige Wettervorhersagen – meist leisten Satelliten dabei wertvolle Dienste. Die EADS-Tochter Astrium hat sich auf Transportsysteme und Betriebsplattformen spezialisiert, die von vielen dieser Satelliten genutzt werden. Die Simulation ihrer technischen Eigenschaften ist dabei von zentraler Bedeutung, um die hohen Anforderungen in der Raumfahrt zu erfüllen – ohne aber Faktoren wie die von den Kunden geforderte Kosteneffizienz oder die fristgerechte Lieferung aus den Augen zu verlieren. „Wir stehen stets unter enormem Zeitdruck, um unsere ‚Deadlines‘ in der Entwicklungsphase einzuhalten“, berichtet Glenn Harris, Structural Analysis Engineer bei Astrium. Ein typischer Entwicklungszyklus dauere ein Jahr, sechs Monate davon entfielen auf die Simulation. Um den Simulationsprozess innerhalb einer parallelen Engineering-Umgebung zu optimieren, nutzt Astrium die Femap-Software von Siemens PLM Software. Femap bietet in einer CAD-unabhängigen Umgebung Funktionalitäten für die Modellierung, Simulation und Bewertung von Produkteigenschaften, quasi ein Pre- und Postprozessor für die Finite-Elemente-Analyse, in diesem Fall mit Nastran.

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Astrium nutzt Femap insbesondere bei der Entwicklung der Telekommunikationsplattform Eurostar. Diese lässt sich in zwei Hauptkomponenten unterteilen:

das Kommunikationsmodul (KM) und

das Servicemodul (SM).

Das KM weist gewöhnlich Strukturen auf, die speziell auf die Anforderungen des Kunden abgestimmt sind, wohingegen das SM bei vielen Eurostar-Satelliten von Astrium gleich ist. „Diese Strukturen lassen sich gut durch separate ‚Nastran-Include-Dateien‘ beschreiben“, fährt Harris fort, die sich anschließend zu einem Modell des gesamten Raumflugkörpers zusammenfügen ließen (Superelement-Methode, volle und reduzierte Modellstruktur). Nastran-Include-Dateien beinhalten sowohl neue als auch wiederverwendete Modelldaten für bestimmte Bauteile beziehungsweise Regionen der Satelliten-Struktur. So gibt es innerhalb jedes Hauptbereichs eines Satelliten zahlreiche Include-Dateien für Wände, Böden, Zylinder, Kegel oder Nutzlasten. Mit der ‚Layer-Funktion‘ in Femap – vor allem zusammen mit der Gruppierungs-Funktion – lassen sich diese Dateien leicht entwickeln und analysieren. Um komplexe Regionen besser zu verstehen, können beispielsweise Ebenen ein- und ausgeblendet werden, um Knoten und Elemente in einem bestimmten Bereich zu identifizieren.

Navigieren, modifizieren und importieren wird leichter

„Eine solche Datenquelle liefert bezüglich der Spezifikation der Struktur Informationen von unschätzbarem Wert“, betont Glenn Harris. So werde etwa die Raumflugkörper-Struktur zum größten Teil durch Verbindungen zusammengehalten, die im Allgemeinen als Federelemente modelliert werden. „Für die Qualität des Modells ist es wichtig, dass die Knoten an jedem Ende dieser Federn zusammentreffen – in diesem Fall haben die Federn die Länge Null.“ Diese Federelemente kann der Anwender in der zugehörigen Tabelle anwählen. „Füge ich nun die Eigenschaft der Masse hinzu und lasse die Ergebnisse neu sortieren, finde ich schnell die Elemente, deren Länge nicht Null ist“, so Harris weiter. Diese nicht-konformen Elemente können dann zur späteren Änderung gruppiert werden. „Diese Arbeitsweise hat sich als sehr nützlich erwiesen.“

Mit Hilfe der Femap-API (Application Programming Interface) entwickelte Astrium ein Programm, das zunächst die separaten Include-Dateien identifiziert, die gespeichert sind. Dann werden die Modelldaten jeder Datei einer speziellen Ebene zugewiesen, die anhand des Dateinamens ermittelt wird. Dies vereinfacht die Navigation durch das Modell. Somit können die Anwender problemlos auf verschiedenen Ebenen arbeiten. Es kann nicht nur eine Datei importiert und modifiziert werden, sondern es können auch alle am Modell durchgeführten Veränderungen auf der entsprechenden Ebene festgehalten werden. Wird die Datei exportiert, gilt die Aktualisierung nur für die entsprechenden Include-Dateien. Um dann im Rahmen des Virtual Product Modeling (VPM) die Catia-CAD-Daten betrachten zu können, nutzt Astrium die VisView-Software von Siemens PLM Software. Über eine API-Routine wird eine Modellhierarchie in derselben Art und Weise aufgebaut, wie eine Datei in VisView geöffnet wird. So kann der Benutzer leicht zum ausgewählten Objekt navigieren und dann das Catia-V4- oder V5-Modell direkt in Femap importieren. Im Verlauf eines Projekts lässt sich so viel Zeit einsparen, die ansonsten für Suchaufgaben anfallen würde.

API-Routinen dieser Art erleichtern das Bearbeiten von Konstruktionen; etwa jene, mit der Mehrfach- aus Einfachfedern erstellt werden können. Mit anderen wiederum kann der Analytiker überprüfen, ob die starren Elemente, die als Abstandshalter von Platten verwendet werden, orthogonal zum lokalen Koordinatensystem liegen. Eine weitere Routine findet leere Knoten und Element-Nummerierungs-Bereiche im Modell und vermerkt dies in der zugehörigen Tabelle. Auf diese Weise lassen sich Konstruktionen um eine spezielle Nummerierung erweitern. Und mit einer besonderen Routine hilft VisView dem Analytiker, schnell Wärmerohre in den Hauptwänden und -böden des Satelliten zu lokalisieren. Diese Punkte lassen sich dann nutzen, um die erforderlichen Gitternetzelemente zu definieren. Denn beim Arbeiten mit festen Gitternetzen wäre ansonsten die für adäquate Ergebnisse erforderliche Netzdichte zu hoch.

Mit Femap können die Astrium-Mitarbeiter heute auch Zeit bei der Nachbearbeitung von Ergebnissen aus der Analyse mit Nastran gewinnen. „Wenn wir die Modelle auf die Formänderungsenergie hin überprüfen, finden wir möglicherweise Knoten, die außerhalb der akzeptablen Bereiche liegen“, erläutert Harris. „Diese formatieren wir dann in Femap-Programmdateien und erstellen Gruppen, mit deren Hilfe wir die Probleme schnell identifizieren und beheben können.“ So ließen sich Formen betrachten und Konturdarstellungen von Formänderungsenergien nutzen, um die Art einer Struktur zu verstehen. Dabei ist die Transparenzfunktion sehr nützlich, um in das Modell hineinzusehen.

Deutlich mehr Alternativen lassen sich heute berechnen

„Dank der Möglichkeit, mehrere Modelldatenbanken gleichzeitig zu öffnen, können wir vieles einfach kopieren und auf diese Weise schneller neue Modelle erstellen“, fährt der Berechnungsprofi fort. Astrium kann so Femap intensiv für den iterativen Prozess des Erstellens, Überprüfens und Betrachtens der Modelle nutzen, bis hin zur Bearbeitung der Ergebnisse und der Erforschung von Alternativen. Zudem lassen sich Bilder und Texte in andere Dokumente kopieren, was das Erstellen von Berichten beschleunigt.

Im Ergebnis könne man so sehr gezielt auf den Tag hinarbeiten, an dem der Kunde zur Abnahme der Konstruktion kommt und an dem man die Reserven nachweisen muss, sagt Glenn Harris. Astrium muss dann nicht nur das fertige Modell zur dynamischen Analyse der Kompatibilität von Raumflugkörper und Trägerrakete an den Generalunternehmer liefern. Das Modell wird außerdem von der zuständigen Abteilung für die Analyse der statischen Beanspruchungen genutzt, um die Auslegung zu überprüfen. „Im Idealfall möchten wir natürlich niemals eine Analyse wiederholen, aber da wir oft Vermutungen hinsichtlich der Konstruktion treffen, bevor sie definitiv festgelegt ist, lässt sich das nicht ganz vermeiden.“ Die so genannte Y-Wand zählt beispielsweise mit vielen Heizrohren – sowohl innen als auch außen –, Böden, Ausrüstung und Stützverbindungen zu den kompliziertesten Bereichen der Plattform. Weil es so viele feste Verbindungspunkte gibt, resultiert daraus zwangsläufig ein komplexes Gitternetz. „Zurzeit nimmt deshalb die Entwicklung eines Simulationsmodells normalerweise sechs Monate innerhalb des gesamten Analyseprozesses von einem Jahr in Anspruch“, so Harris abschließend. „Unser Ziel ist es, diesen Prozess mit Femap soweit zu automatisieren, dass wir diese Zeit durch Nutzung von Vorlagen und den verbesserten Zugriff auf die CAD-Daten halbieren.“ -co-

Siemens Industry Software GmbH & Co. KG, Köln Tel. 0221/20802-0, http://www.siemens.com/plm

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