Was ist CAE? Computer Aided Engineering

Verfasst von: Dave Martin
  • 9/28/2021
  • Lesestoff : 3 min
Computer showing spring suspension simulation.

Unter Computer Aided Engineering (CAE) versteht man die Anwendung computergestützter, mathematischer Analyse- und Simulationstechniken im Produktentwicklungsprozess.

CAE kombiniert computergestütztes Design (CAD) mit Disziplinen wie Finite-Elemente-Analyse (FEA), numerische Strömungsmechanik (CFD), Multiphysik und technische Berechnungen. Ziel von CAE ist die Entwicklung von Produkten, Baugruppen und Bauteilen, die nicht nur für ihre Betriebsbedingungen validiert, sondern auch für die gewünschten Eigenschaften wie Gewicht und Festigkeit optimiert sind.

Um CAE zu verstehen, ist eine historische Perspektive hilfreich. Werfen wir einen Blick auf die Ursprünge des CAE.

Von CAD zu CAE

Computer wurden in den 1950er Jahren erstmals in der Produktentwicklung eingesetzt. Viele dieser Anwendungen zielten darauf ab, Zeichentafeln, Winkelmesser, Kurvenlineale und elektrische Radiergummis durch Software zu ersetzen, die die Erstellung und Änderung von 2D-Produktionszeichnungen vereinfachen sollte.

Der Prozess der Erstellung von mechanischen und architektonischen 2D-Zeichnungen wird als Entwurfsarbeit bezeichnet. Diese Programme wurden daher als computergestützte Entwurfswerkzeuge (CAD) bezeichnet.

Spätere Programme entwickelten eine 3D-Darstellung des zu zeichnenden Objekts, das so genannte Modell. In dieser Darstellung wurden zunächst die Drahtgitterkanten, später die Außenflächen und noch später die Volumenkörper und das Innenvolumen dargestellt. Solide 3D-Modelle boten Vorteile wie die Betrachtung des Produkts aus verschiedenen Richtungen, die Berechnung von Masseeigenschaften und die Durchführung von Interferenzprüfungen. Das computergestützte Zeichnen hatte sich zum computergestützten Design (auch CAD) entwickelt.

Bevor es Computer gab, wurden Analysen für die Produktentwicklung traditionell mit zwei Methoden durchgeführt: (1) manuelle Berechnungen von Lösungen in geschlossener Form und (2) empirische Daten, die in Handbüchern gesammelt wurden.

Beide haben bei komplexen Produkten erhebliche Nachteile. Als Strukturanalytiker bei Lockheed Martin habe ich "Roarks Formeln für Spannung und Dehnung" verwendet. Ich bin nur selten auf eine reale Situation gestoßen, in der ich eine Formel nachschlagen und die Zahlen einfügen konnte. Als ich bei Boeing als Konstrukteur tätig war, waren die Referenzhandbücher für Konstruktion und Analyse irrelevant für die Arbeit an neuen Produkten, die sich von bestehenden Fahrzeugen unterschieden.

Parallel zur Entwicklung computergestützter Entwurfs- und Konstruktionswerkzeuge wurden Computer für Simulationsprobleme wie Struktur-, Wärme-, Modal-, Flüssigkeits-, Mechanismus- und Multiphysikanalyse eingesetzt. Anstatt einer geschlossenen Form, versuchen Computermodelle:

  • die Geometrie zu vereinfachen und zu idealisieren;
  • die Geometrie in kleine Einheiten wie Tetraeder, Keile und Ziegelsteine aufzuteilen, für die geschlossene Lösungen bekannt waren;
  • die gesamte Struktur in Matrizen zusammen zu fassen; und,
  • die Matrizen über die Randbedingungen auf ein lösbares Gleichungssystem zu reduzieren.

Als diese Simulations- und Analysewerkzeuge in Verbindung mit CAD-Werkzeugen eingesetzt und später in diese integriert wurden, war das computergestützte Engineering (CAE) geboren.

Vorteile von CAE

Warum ist CAE für die Produktentwicklung wichtig? Betrachten wir drei Herausforderungen.

Prototypen und Tests. Bevor es CAE gab, waren Unternehmen auf die Herstellung und Prüfung von Prototypen angewiesen, um Entwürfe zu validieren. Dieser Prozess ist teuer und zeitaufwändig. Fehler, die während der Tests aufgedeckt wurden, führten bestenfalls zu einem weiteren Zyklus von Entwurf, Prototyp und Test. Im schlimmsten Fall bedeutete dies einen Neuanfang.

CAE ist kein Ersatz für Prototypen und Tests. Stattdessen bietet CAE ein hohes Maß an Vertrauen, dass Sie die richtigen Tests durchführen und Ihr Produkt seine Betriebsumgebung unbeschadet überstehen sollte.

Effizienz. Durch die Einbeziehung der Simulation in den Entwurfsprozess können Unternehmen ihre Arbeitsabläufe rationalisieren. Dadurch entfallen unnötige sequenzielle Design- und Analyse-Iterationen, wie sie in traditionellen, isolierten Unternehmen üblich sind. Mit CAE verbringen die Teams weniger Zeit mit der Konstruktion und mehr Zeit mit der Entwicklung.

Optimierung. Unternehmen, die nicht über die nötigen Ressourcen oder Mitarbeiter für CAE verfügen, kompensieren dies durch ein Over-Engineering ihrer Produkte. Sie verwenden haltbarere Materialien. Sie erhöhen die Wandstärken, fügen Strukturelemente hinzu und bauen mehr Verbindungselemente ein. Diese Methoden erhöhen das Gewicht und die Kosten des Produkts.

Mit CAE-Tools können Sie die Reaktion des Produkts oder der Komponente auf Belastungsbedingungen in der Betriebsumgebung simulieren. Dadurch kann der Ingenieur den Entwurf validieren. Anschließend kann das Produkt durch die Auswahl alternativer Werkstoffe, die Änderung von Modellabmessungen und die Reduzierung von Bauteilmengen optimiert werden. CAE-Tools können die bestmögliche Lösung im Konstruktionsraum für Masse, Volumen, Spannung, Temperatur, Eigenfrequenzen, Flüssigkeitsströmung und andere Größen von Interesse finden.

Diese Vorteile für Prototypen und Tests, Effizienz und Optimierung führen zu geringeren Entwicklungskosten, kürzeren Markteinführungszeiten und besseren Produkten, die Ihre Kunden überzeugen.

 
  
 

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Tags:
  • CAD

Der Autor

Dave Martin Dave Martin ist ein ehemaliger Creo-, Windchill- und Mathcad-Dozent und -Berater. Nachdem er PTC verlassen hatte, war er der Creo-Spezialist für Amazon; und ein Maschinenbauingenieur, Creo-Administrator und Windchill-Administrator für Amazon Prime Air. Er hat einen Abschluss in Maschinenbau vom MIT und arbeitet derzeit als Avionikingenieur für Blue Origin.