Ist SOLIDWORKS Simulation denn überhaupt ein richtiges FEM-System?
„Ist SOLIDWORKS Simulation denn überhaupt ein richtiges FEM-System?“ Ich arbeite seit mehr als 20 Jahren als Consultant im Bereich Simulation und ich kann gar nicht mehr zählen, wie oft mir diese Frage gestellt wurde. Bei Produktvorführungen, bei Schulungen und auch an der technischen Hotline. Meistens antwortete ich: „Ein falsches ist es zumindest nicht.“ Aber was bringt die Konstrukteuer:innen und Ingenieur:innen eigentlich dazu, diese Frage zu stellen? Hier ist mein Versuch den Ursachen auf den Grund zu gehen.
Der Rückblick.
SOLIDWORKS Simulation, früher unter dem Namen COSMOSWorks bekannt, wurde entwickelt, um die Finite-Elemente-Methode (FEM) einem breiten Anwenderkreis zugänglich zu machen. Alle SOLIDWORKS-Nutzer sollten die Möglichkeit erhalten, ihre Konstruktionen einfach und schnell zu überprüfen und bei Bedarf zu optimieren, ohne andere Abteilungen oder gar externe Dienstleister hinzuziehen zu müssen.
Um das gesteckte Ziel zu erreichen, wurde die FEM-Software COSMOS der Structural Research and Analysis Corporation, kurz SRAC, zunächst als Gold-Partner-Produkt in SOLIDWORKS integriert. Später folgte die Eingliederung des Unternehmens in die SOLIDWORKS Corporation. Damit war die Anbindung von COSMOS an andere 3D-CAD-Werkzeuge ausgeschlossen und SOLIDWORKS hatte sich Exklusivität gesichert. Ab der Version 2003 wurde die Versionierung von COSMOSWorks mit SOLIDWORKS synchronisiert. Mit der Version 2009 wurde die Zusatzanwendung dann in SOLIDWORKS Simulation umbenannt. Die Weiterentwicklung des Stand-Alone-Produkts COSMOS/M wurde eingestellt und der Name COSMOS war damit Geschichte.
Die häufigsten Fragen.
Die Integration in die Benutzeroberfläche von SOLIDWORKS war nahezu nahtlos, die Bedienung wie bei SOLIDWORKS selbst intuitiv und die ersten Schritte waren auf eigene Faust und ohne Anleitung relativ problemlos möglich. Die FEM selbst hingegen war für die Anwender:innen von 3D-CAD jedoch noch ein hochkomplexes Gebilde, dem sie mit gehörigem Respekt begegneten. Viele hatten Zweifel, ob all diese vermeintlich mysteriösen Zusammenhänge wirklich korrekt in einer Software mit dem Look-and-Feel von SOLIDWORKS abgebildet werden konnten.
„Ist das denn überhaupt ein richtiges FEM-System, wenn die Bedienung so einfach zu erlernen ist?“
Zu Beginn unsere SOLIDWORKS-Simulationschulungen erklären wir selbstverständlich die theoretischen Hintergründe der FEM. Bei der Erläuterung der Methodik verzichten wir aber so weit wie möglich auf mathematische Formeln. Stattdessen beschreiben wir beispielsweise, in welcher Reihenfolge der Solver welche Ergebnisse ermittelt und wie diese zu interpretieren sind. Einer meiner Lieblingssätze am ersten Schulungstag ist: „Wir sind keine Mathematiker, sondern Konstrukteure.” Natürlich müssen wir lernen, die Ergebnisse zu verstehen, aber wir müssen nicht jeden einzelnen Rechenschritt auf dem Weg dorthin nachvollziehen können.
„Ist das denn überhaupt ein richtiges FEM-System, wenn man dafür nicht mal Höhere Mathematik können muss?“
Oft besuchen aber auch Teilnehmer mit Vorkenntnissen in der FEM unsere Schulungen. Sie bringen Erfahrungen aus anderen FEM-Programmen mit und sind teilweise an umfangreiche Menüstrukturen sowie riesige Dialogfenster mit vielen Eingabefeldern gewöhnt. Natürlich suchen sie all diese Optionen auch in SOLIDWORKS Simulation gesucht, finden sie aber nicht immer.
„Ist das denn überhaupt ein richtiges FEM-System, wenn man da gar nicht so viele Einstellungen definieren kann?“
Die Einordnung ins Produktportfolio.
Wie bereits erwähnt, SOLIDWORKS Simulation kein „falsches“ FEM-System. Es ist eher wie ein verlässlicher Kompaktwagen, mit dem Millionen Anwender sicher und übersichtlich unterwegs sind, denn er ist einfach zu bedienen. Wer das Autofahren aber einmal erlernt hat, kann jederzeit auf ein anderes Fahrzeug mit größeren Abmessungen, höherer Motorleistung und mehr Bedienelementen umsteigen – oder eben weiterhin mit dem kleineren Auto sicher und zuverlässig ans Ziel kommen. Für die meisten Anwendungsfälle sind die Möglichkeiten von SOLIDWORKS Simulation ausreichend, denn auch hier steht mit den verschiedenen Paketen – Standard, Professional und Premium – eine große Auswahl an Modulen zur Verfügung. Werden in bestimmten Situationen doch mehr Rechenleistung oder zusätzliche Funktionalität benötigt, gibt es weitere passende Lösungen. Die Simulation auf der 3DEXPERIENCE-Plattform bietet ein perfekt skalierbares Werkzeugsortiment, hinter dem die Leistung des ABAQUS-Solvers steckt. Sollte auch dies nicht ausreichen, gibt es noch die High-End-Simulation aus dem SIMULIA-Portfolio mit „ABAQUS Desktop”.
Die wesentlichen Unterschiede.
Aber wo genau liegen denn nun die „Einschränkungen“ in SOLIDWORKS Simulation, die immer wieder mit der Frage „Ist SOLIDWORKS Simulation denn überhaupt ein richtiges FEM-System?“ führen?
Am häufigsten wird die Auswahl der verfügbaren Elementtypen genannt – und davon gibt es in SOLIDWORKS Simulation tatsächlich einige. Lineare oder quadratische Elemente sind leicht zu unterscheiden, wenn man weiß, dass sie sich hinter den Bezeichnungen „Entwurf“ und „Hohe Qualität“ verbergen. Die Grundform sind allerdings immer Tetraeder (für Volumenelemente) oder Dreiecke (für Schalenelemente). Wer sein Netz beispielsweise aus Quader- oder Rechteckelementen aufbauen möchte, wird diese Option vermissen. Die Vernetzungsalgorithmen von SOLIDWORKS Simulation bieten weniger Möglichkeiten zur Steuerung der Netzgestaltung als die von anderen Programmen. In unseren Schulungen vermitteln wir jedoch, wie die verfügbaren Elementtypen sinnvoll eingesetzt werden können und wie sich die Qualität des Netzes beurteilen und beeinflussen lässt, um die bestmöglichen Berechnungsergebnisse zu erzielen.
Ein weiterer Punkt ist die direkte Verbindung zur Geometrie des SOLIDWORKS-Modells. Es wird immer das vorliegende 3D-CAD-Modell vernetzt. Eventuell benötigte Vereinfachungen, wie das Unterdrücken kleiner Geometrieelemente wie Fasen, Verrundungen oder kleiner Bohrungen, müssen daher an diesem Modell vorgenommen werden. Ganze Bauteile können zwar aus einer Analyse ausgeschlossen werden, jedoch nicht einzelne CAD-Features. Natürlich lassen sich Vereinfachungen in SOLIDWORKS über Konfigurationen abbilden. Insbesondere bei Baugruppen mit mehreren Hierarchiestufen ist das jedoch ein nicht zu unterschätzender Aufwand. Auf der 3DEXPERIENCE-Plattform und in ABAQUS gibt es die Möglichkeit, eine zur Originalgeometrie assoziative, aber für die Vernetzung besser geeignete Repräsentation zu definieren. Diese wird nur für die FE-Analyse verwendet. Dadurch verändert nicht jedes beliebige Feature am CAD-Modell sofort auch das FE-Modell. Bei einer konstruktionsbegleitenden Analyse einfacher Teile und (Unter-)Baugruppen ist dieser Unterschied in der Regel ohnehin zu vernachlässigen.
Der letzte Punkt, den ich anführen möchte, betrifft den grundsätzlichen Aufbau der Berechnungsszenarien. In SOLIDWORKS Simulation definieren wir für jede Analyse eine „Studie“, bei deren Erstellung wir eine bindende Entscheidung über die Art des Anwendungsfalls treffen. Bei einer Strukturanalyse kann diese Studie beispielsweise linear oder nichtlinear, statisch oder dynamisch oder auch eine Frequenz- oder Knickstudie sein. Auf der 3DEXPERIENCE-Plattform oder auch in ABAQUS lassen sich hingegen innerhalb einer einzigen (Struktur-)Analyse mehrere Schritte definieren, beispielsweise zuerst ein linear-statischer Lastfall, dann die Ermittlung der Eigenfrequenzen und schließlich die dynamische Reaktion. In SOLIDWORKS Simulation fehlt gefühlt eine Zwischenstufe in der Definition. Allerdings lässt sich in einer nichtlinearen Studie die Anwendung mehrerer Lastschritte nacheinander über entsprechende Zeitkurven abbilden. Der ursprünglich festgelegte Studientyp bleibt jedoch bestehen, sodass sich beispielsweise keine Eigenfrequenzberechnung integrieren lässt. Zudem können selbstverständlich mehrere Studien am selben CAD-Modell durchgeführt werden.
Das Fazit lautet: SOLIDWORKS Simulation ist ein „richtiges“ FEM-System.
Alles, was im Hintergrund passiert – die Vernetzung, die Erstellung der Steifigkeitsmatrizen und die Lösung der Gleichungssysteme – funktioniert in SOLIDWORKS Simulation genauso wie bei anderen FEM-Programmen. Auf Basis gleicher Eingabedaten und Einstellungen erzeugt es auch die gleichen Ergebnisse wie andere Programme (vgl. Abb. 1–3, Analyse eines C-Bügels). Weltweit nutzen weit über 30.000 Konstrukteure SOLIDWORKS Simulation, um schneller bessere Produkte kostengünstiger zu entwickeln – genauso wie mit jedem anderen FEM-System.
Abbildung 1a und1b. Resultierende Verschiebung SOLIDWORKS vs. 3DEXPERIENCE Simulation.
Abbildung 2a und 2b. Von Mises Spannung SOLIDWORKS vs. 3DEXPERIENCE Simulation.
Abbildung 3a und 3b. Erste drei Eigenfrequenzen SOLIDWORKS vs. 3DEXPERIENCE Simulation.
Wenn die Funktionalität von SOLIDWORKS Simulation an ihre Grenzen stößt, ist der Wechsel zu passenden Lösungen aus dem SIMULIA-Portfolio nur ein kleiner Schritt. Alles, was Sie in Schulungen und bei der praktischen Anwendung von SOLIDWORKS Simulation über FE-Analysen gelernt haben, bleibt dabei uneingeschränkt gültig. Mit Ihrem erworbenen Know-how – und bei Bedarf mit Unterstützung unserer CAE-Spezialisten – können Sie problemlos auf ein FEM-System mit erweiterten Funktionen umsteigen. Der Wechsel ist vergleichbar mit dem vom kompakten Kleinwagen zur Elektro-Limousine der Luxusklasse. So erreichen Sie effizient und zuverlässig Ihr Berechnungsziel.
