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Computergestütztes Engineering (Computer-aided engineering, CAE) ist eine Teildisziplin des Ingenieurwesens, bei der Software-Tools verwendet werden, um Produktdesigns digital zu simulieren und zu optimieren. CAE wird branchenübergreifend eingesetzt, um Fehleranalysen zu unterstützen, die Leistung zu verbessern, Entwicklungskosten zu senken, Konstruktionszyklen zu verkürzen und Ingenieur*innen einen Einblick in die Leistung ihres Produkts zu geben.
Ursprünglich in der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt, haben sich CAE-Tools zu einem integralen Bestandteil des Konstruktionsprozesses entwickelt und sind oft weit vor der Verfügbarkeit physischer Prototypen maßgeblich für Produktentwicklungsentscheidungen. Die Fähigkeit, praxisnahe Szenarien virtuell zu testen, kritische Konstruktionsfragen zu beantworten und Funktionen und Leistung frühzeitig im Konstruktionsprozess zu validieren, macht die Investition in CAE-Tools und -Fähigkeiten zu einer der rentabelsten Investitionen auf dem Entwicklungssektor.
CAE-Tools erstellen eine mathematische Darstellung des Verhaltens eines bestimmten Gefüges aus Geometrie, Werkstoffen, Verbindungen und Bedingungen unter angewendeten Lasten. Ziel jeder CAE-Simulation ist es, bekannte Systemmengen zu definieren und Unbekannte zu berechnen. Sie wird nach Möglichkeit anstelle von physikalischen Tests verwendet oder um die Zahl der Iterationen zu senken, wenn Praxistests erforderlich sind.
Bevor wir uns mit dem dreistufigen Prozess für CAE befassen, gehen wir einige gängige Begriffe noch einmal durch.
Unabhängig davon, wo CAE angewendet wird, führen die Praktiker in der Regel drei Schritte durch: Vorverarbeitung, Lösung und Nachverarbeitung. Die Komplexität jedes Schritts variiert je nach den physikalischen Verhältnissen, der erforderlichen Genauigkeit, der Komplexität des Produkts und der Komplexität der Betriebsumgebung, die im digitalen Modell erfasst wird. Darüber hinaus richtet sich der Prozess immer danach, welche Informationen die Ingenieur*innen aus der Simulation sammeln möchte.
Im Folgenden sind die drei Standardschritte aufgeführt.
Die Vorverarbeitung ist der erste und wichtigste Schritt im CAE-Workflow. Hier dokumentieren Ingenieur*innen bekannte Werte, verwenden die CAE-Software zur Diskretisierung der Geometrie und erfassen alle erforderlichen Daten in einer Datenbank. In der Regel beginnt die Modellerstellung damit, die Geometrie oder Komponenten im System zu übernehmen und die Geometrie zu diskretisieren oder zu vernetzen. Benutzer:innen müssen dann Beschränkungen anwenden, die bestimmte physikalische Werte sowie die Lasten definieren, die auf die Geometrie wirken. Sie müssen außerdem die Eigenschaften jedes verwendeten Materials, die Verbindungen zwischen Komponenten und die Veränderung der Randbedingungen im Laufe der Zeit angeben. Die letzte Aufgabe für Ingenieur*innen, die eine CAE-Simulation durchführen, besteht darin, anzugeben, wie das mathematische Problem gelöst werden soll, indem die Eingaben und Variablen angegeben werden, die der Solver für seine Aufgabe benötigt.
Die Vorverarbeitung ist wichtig, da der Solver die Ausgaben des Problems berechnet. Sind die Eingaben falsch, spiegeln die Ausgaben nicht die tatsächliche Situation wider. Ein klassischer Fall von "Garbage-in-Garbage-out" (GIGO). Es ist außerdem wichtig zu wissen, dass Automatisierung und enge Verbindungen zu CAD-Geometriewerkzeugen (Computer-Aided Design) die Genauigkeit der Vorverarbeitung beschleunigen und erhöhen.
Die eigentliche Verarbeitung der mathematischen Darstellung, die während der Vorverarbeitung von der Software erstellt wurde, wird als Lösen bezeichnet. Zunächst konvertiert der Solver die mathematische Definition in einen Satz von Gleichungen, normalerweise partielle Differentialgleichungen, mit bekannten und unbekannten Werten. Anschließend werden numerische Methoden verwendet, um eine große Menge von Gleichungen für unbekannte Werte zu lösen. Obwohl Software verwendet wird, um Unbekannte zu lösen, können einige Algorithmen große Mengen an Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher und CPU-Kapazität belegen. Der Zugriff auf effiziente Solver-Methoden und High-Performance-Computing-Ressourcen ist bei der Lösung vieler CAE-Modelle wichtig.
Die Ergebnisse des Lösungsschritts werden als Zahlen in einer Datenbank gespeichert. Um diese Werte zu nutzen, müssen sie durch eine CAE-Software in nützliche Darstellungen umgewandelt werden. Einige der häufigsten Ergebnisdarstellungen, die während der Nachverarbeitung erzeugt werden, sind:
Darstellungen der Geometrie mit als Farben dargestellten Werten sind die häufigste Art der Ausgabe, die bei der Nachverarbeitung erstellt wird. In den meisten Fällen verwendet man die Nachverarbeitung, um Informationen zur Überprüfung und Validierung von Designs bereitzustellen oder bei der Entscheidungsfindung im Design- oder Fertigungsprozess zu helfen.
Ein Beispiel für eine typische Ergebnisdarstellung, bei der die Verformung mit Farben angezeigt wird, die der Oberfläche des Netzes zugeordnet sind. Rot ist die maximale Verformung, dunkelblau die minimale.
Die Ergebnisse einer Schwingungsanalyse, die die Eigenfrequenzen eines Spiegels in einem Teleskop zeigt, mit überhöhter Verformung und Farben, die den Wert der Verformung darstellen
Die elektromagnetischen Feldwerte für eine Phased-Array-Antenne in der Software für hochfrequente elektromagnetische Simulation Ansys HFSS
Ein wichtiger Teil der CAE besteht darin, das Modell zu modifizieren und neu zu lösen, um zu beurteilen, wie sich diese Änderungen auf die Ergebnisse auswirken. Dies kann mit einem manuellen Workflow oder durch die Automatisierung von Schleifen erfolgen, die als Optimierung bezeichnet werden und in denen die Eingaben mithilfe eines Algorithmus parametrisch variiert werden, der mit den gewünschten Ausgabewerten konvergiert. Moderne CAE-Software umfasst in der Regel Skriptfunktionen, mit denen diese Iterationen automatisiert und gesteuert werden können. Dies geschieht zunehmend mit einer Python-API, wie dem Python-Zugangstool PyAnsys für Ansys-Software in der Familie der CAE-Tools von Ansys.
Technisch gesehen ist CAE jede Art von Simulation, bei der die Verwendung von Computern eine Rolle bei der Berechnung des Verhaltens eines Produkts spielt. Ingenieur*innen können ihre Simulationen nach der Art der Physik, die sie lösen, oder nach dem Typ des verwendeten Solvers klassifizieren.
Verschiedene Physikfelder können mit mehreren Solver-Typen gelöst werden. Beispielsweise können bei Wärmetransfer-Simulationen Finite-Elemente-, Finite-Differenzen- oder Finite-Volumen-Solver verwendet werden, um den Wärmefluss zu berechnen.
Im Folgenden sind die häufigsten Arten von Solvern aufgeführt, auf die sich Ingenieur*innen bei der Erläuterung des CAE-Ansatzes beziehen:
Die effektive Nutzung von CAE-Lösungen wird durch die Nutzung von Computern verbessert, um andere Schritte während des gesamten Produktlebenszyklus zu unterstützen, einschließlich Produktentwicklungsprozess, Fertigung und Wartung. Durch einen Digital Engineering-Ansatz profitiert nicht nur jeder Bereich in vielerlei Hinsicht, sondern es können auch Daten leichter zu und von CAE-Tools fließen.
Die gängigsten Formen computergestützter Domänen sind:
Die einzige Konstante in der CAE-Welt waren bisher konsistente Verbesserungen bei der Funktionalität und Geschwindigkeit, wobei Verbesserungen bei Computerhardware, numerischen Methoden und dem Design der Benutzeroberfläche genutzt wurden. Dieser Trend setzt sich mit dem gleichen Schwerpunkt auf der Verbesserung von Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Solver-Leistung fort.
Hier sind einige Fortschritte zu nennen, die in den kommenden Jahren zu Verbesserungen führen dürften.
CAE-Software verwendet seit Jahrzehnten KI, insbesondere maschinelles Lernen (ML) und Expertensysteme. Aktuelle Forschung beschäftigt sich mit neuronalen Netzwerken und der Integration großer Sprachmodelle in die Benutzererfahrung und die Solver. Benutzer*innen können diese Technologie bereits in der Benutzeroberfläche mit Tools wie Ansys Engineering Copilot während der Vor- und Nachverarbeitung für eine Vielzahl von Ansys-Tools und auf der Solver-Seite mit der KI-Plattform Ansys SimAI für Simulation, der Geometrie-Plattform Ansys GeomAI AI- und der KI-basierten Software Ansys TwinAI für digitale Zwillinge nutzen.
CAE-Solver profitieren von der gleichen massiven Parallelisierung von Vektoroperationen, die bei der Grafikverarbeitung und dem Training generativer KI-Modelle verwendet werden. Programmierer*innen können lineare Algebra-Algorithmen optimieren und so größere Modelle und schnellere Lösungen ermöglichen.
Dasselbe gilt für Verbesserungen bei CPUs, GPUs und Speicher-ICs. Kleinere Strukturgrößen ermöglichen mehr Transistoren und höhere Taktgeschwindigkeiten, von denen CAE-Tools profitieren. Erwähnenswert ist, dass CAE-Tools für das Design dieser verbesserten Chips von entscheidender Bedeutung sind.
Zunächst schafften CAE-Tools einen Mehrwert in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Seitdem hat sich ihre Verwendung jedoch über andere Bereiche hinweg verbreitet. Hier sind einige Branchen, in denen CAE-Workflows Teil des Design-Workflows geworden sind:
Der Wert von CAE-Softwaretools zeigt sich in der überwältigenden Zahl an Auswahlmöglichkeiten, die Ingenieur*innen haben. Bei der Entscheidung, welche Tools verwendet werden sollen, sollten Teams Folgendes berücksichtigen:
Die Suite von Ansys, Teil von Synopsys, beantwortet all diese Fragen mit "Ja".
Ein genauerer Blick auf die Top-Produkte zeigt, wie weit CAE-Tools gekommen sind und welchen Wert sie Entwicklungsteams bieten.
Die 3D-Produktsimulationssoftware Ansys Discovery ist ein branchenführendes CAE-Tool für Entwicklungsteams, das Hand in Hand mit CAD arbeitet. In einer einzigen intuitiven Benutzeroberfläche bietet es Geometriemodellierung und -änderung, Struktur-, Wärme- und Fluidanalysen sowie Optimierung. Es ist außerdem ein gutes Beispiel dafür, wie GPUs in fortschrittliche Solver integriert werden können, um Ergebnisse nahezu in Echtzeit zu liefern. Zuletzt wurden KI-Tools zur Führung von Benutzer*innen ohne CAE-Fachwissen durch den Simulationsworkflow bereitgestellt. Sobald Ingenieur*innen die Simulation im 3D-Design-Raum abgeschlossen haben, können sie ihre Simulation auf detaillierte physikalische und multiphysikalische Lösungen übertragen. Benutzer*innen der Discovery-Software können beispielsweise auf Top-Produkte wie die Software für strukturelle FEA-Analyse Ansys Mechanical, die Software zur Strömungssimulation Ansys Fluent und die Simulationssoftware für hochfrequente Elektromagnetik Ansys HFSS umstellen.
Eine CFD in der 3D-Produktsimulationssoftware Ansys Discovery, die eine Lösung eines Belüftungssystems nahezu in Echtzeit zeigt
Ingenieur*innen auf der ganzen Welt verlassen sich auf die Mechanical-Software als FEA-Arbeitspferd. Obwohl sie hauptsächlich auf die Simulation von Strukturen, Vibrationen und thermischen Situationen ausgerichtet ist, unterstützt sie auch Akustik, Spannung, Bruchmechanik und viele andere Physikfelder. Simulation kann Nichtlinearitäten und Zeitabhängigkeit enthalten, alles in einer offenen, skriptfähigen Plattform mit integrierten Parametern und Optimierungen.
Die Fluent-Software ist der wichtigste Vertreter einer umfassenden und robusten CFD-Plattform, die in zahlreichen Branchen zur Modellierung der Strömungsdynamik verwendet wird. Da die Lösung von CFD-Problemen in der Regel mathematisch anspruchsvoll ist, ist sie auch ein Beispiel für die Nutzung von High Performance Computing (HPC) und GPUs zur Unterstützung größerer, präziserer Modelle.
Der Industriestandard für CAE in der hochfrequenten Elektromagnetik ist die HFSS-Software. Von Leiterplatten bis hin zu Antennen im Weltraum haben Ingenieur*innen dieses FEA-basierte Tool eingesetzt, um die Entwicklung von Elektronik- und Kommunikationsprodukten voranzutreiben, die unsere moderne Wirtschaft geprägt haben. Sie ist ein Paradebeispiel für erweiterte Funktionalität, Benutzerfreundlichkeit und effiziente Ausführung.
Das letzte Beispiel ist, was in der Branche als vertikale Anwendung bezeichnet wird – ein CAE-Tool, das sich auf einen bestimmten Anwendungsfall konzentriert. Die Simulationssoftware Ansys Icepak für Elektronikkühlung ist ein Vor- und Nachbearbeitungstool, das auf dem Fluent-Solver basiert und speziell für die Kühlung von Elektronikgeräten sowie die thermische Simulation und Analyse von Leiterplatten entwickelt wurde.
Eine typische thermische Analyse der Elektronik eines Computerservers einschließlich Zwangsluftkühlung in der Simulationssoftware Ansys Icepak für Elektronikkühlung
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