Simulation: Wiederverwendbare digitale Assets für die Wertschöpfung
Es ist wichtig, Entwurf und Konstruktion an die Anforderungen und Wünsche der Kunden anzupassen. Grundlage dafür ist die richtige Mischung von Simulationswerkzeugen.
Die Simulation ersetzt teure und zeitaufwändige physische Tests und hilft das Vertrauen in die virtuelle Validierung und Verifizierung von Designkonzepten zu erhöhen. Simulationsmodelle im Kern des Digitalen Zwillings spielen eine entscheidende Rolle bei der Verkürzung der Entwicklungszeiten. Im Kontext des Digitalen Zwillings fungiert die Simulation als Koordinationsbrücke zwischen dem Verhalten der realen und der virtuellen Welt.
Eine weitere Dimension der Simulation liegt in der vorausschauenden Wartung und Zuverlässigkeitsbewertung. Durch das Konzept der 6-Sigma-Methode in Verbindung mit Simulationsaktivitäten kann eine Verringerung der Ausfälle während des Betriebs und der Wartungseinsätze erreicht werden.
Simulation auf der Komponentenebene und Digitaler Zwillinge:
Die Simulation auf der Komponentenebene dient hauptsächlich der Validierung und Optimierung der Geometrie und der Materialeignung einer Konstruktion, wobei die Physik verschiedener Disziplinen wie Mechanik, Struktur, Wärme, Elektrik und Elektromagnetik zu beachten ist. Bei der Entwicklung von elektrischen Steckverbindern oder Ladestationen für die Elektromobilität ist es beispielsweise wichtig, neben den elektrischen Steckverbindern auch andere Komponenten zu berücksichtigen.
Die Geometrie- und Materialparameter der verschiedenen Komponenten werden wie in Abbildung 01 dargestellt variiert und angepasst, um Kosten, Gewicht, Festigkeit, Lebensdauer und Leistung in jeder Phase der Produktentwicklung zu optimieren.
Die Simulation von Bauteilen kann zur Validierung von Spannungen oder Verschiebungen mit Hilfe der statischen Finite-Elemente-Analyse durchgeführt werden, wie in Abbildung 02 dargestellt wird.
Die elektrische Leitfähigkeit erzeugt Wärme im Inneren von Bauteilen. Um die konvektive Wärmeübertragung oder Wärmeableitung bei der Konstruktion entsprechend zu berücksichtigen, müssen thermische oder thermostrukturgekoppelte Simulationen durchgeführt werden. Bei anspruchsvolleren und komplexeren Anwendungen können spezielle Beschichtungen, die auf elektrischen Kontakten verwendet werden, um den Verschleiß zwischen zwei zusammen gesteckten Oberflächen zu minimieren, simuliert werden. Die Simulation der Wärmeentwicklung und der Wärmeableitung wird herangezogen, um den Derating-Parameter für den stromführenden Steckverbinder abzuleiten.
Neben der Produktqualität ist die Zuverlässigkeit ein weiterer wichtiger Aspekt in unserer wettbewerbsintensiven Zeit. Die Simulation von Lebensdauer und Steckzyklen kann durch die Nachverbearbeitung numerischer Simulationen unter Verwendung etablierter empirischer Modelle aus verschiedenen Disziplinen erreicht werden. So können beispielsweise mechanische Ausfälle und Verschleiß anhand von Kontaktspannungen aus Finite-Elemente-Ergebnissen abgeschätzt werden. Der Verlust des elektrischen Widerstands wird aus der 1D-Modellierung der elektrischen Kontakte berechnet – hilfreich bei der Erstellung eines Lebensdauermodells und der Zuverlässigkeit in Verbindung mit den spezifischen Kontakten. Dieses digitale Modell kann in Verbindung mit Betriebsdaten (elektrische Belastung, Umgebungsbedingungen, Betriebszeiten usw.) als digitaler Zwilling für die Einschätzung der verbleibenden Nutzungsdauer des Steckverbinders verwendet werden. Dieser spezielle und nützliche digitale Service wird von den Kunden stark nachgefragt, um ihren Durchsatz sicherzustellen.
Das Beispiel eines Finite-Elemente-Gitter für eine Kronenfeder ist in Abbildung 03 dargestellt. Es wird verwendet, um die kritische Stelle an den Federelementen und die zulässige Verformung zu bestimmen, bevor ein Stiftkontakt entworfen wird.
Neben dem klassischen Einsatz von Simulationen werden übertragbare digitale Asset-Werte im Rahmen der Standard Asset Administrative Shell (AAS) immer beliebter. Kunden fordern gleichwertige digitale Zwillingsmodelle Modelle, die geometrisch, funktional und und in ihrem Verhalten einem realen Asset-Wert nachempfunden sind.
Schlussfolgerung
High-Fidelity-Simulationsmodelle sind das Gehirn der digitalen Zwillinge. Die skalierbaren, modularen digitalen Zwillinge helfen allen Beteiligten, ihre Aufgaben während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts zu erfüllen. Die Simulation - und damit die digitalen Zwillinge - rücken in den Vordergrund von Design, Entwicklung, Fertigung und Betrieb. Schon bald werden Kompatibilitäts- und handfeste Kaufentscheidungen auf der Grundlage digitaler Zwillinge getroffen, noch bevor man die tatsächlichen physischen Produkte erlebt hat.
