Infoplaner 1-2011 - CAD-FEM GmbH

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Ausgabe 01/2009 01/2011 

Infoplaner 

FEM: Software · Support · Seminare · Berechnung im Auftrag 

www.cadfem.de 

ANSYS Simulationsanwendungen für die Entwicklung von Windkraftanlagen 

Effizient in allen Teilen

CADFEM – Seite an Seite mit ANSYS 

Der Titel des ersten CADFEM Films vor 

21 Jahren lautete „gone with ANSYS“ 

frei nach dem Klassiker „gone with the 

wind“ (vom Winde verweht). Wer über 

die Jahre treuer Besucher der CADFEM 

Users` Meetings war, kam immer wieder 

in den Genuss einer solchen nicht 

ganz ernst gemeinten Uraufführung. 

Mittlerweile spielen einige der damaligen 

Nebendarsteller eine Hauptrolle 

bei CADFEM. 

Auch Regie führen andere, es wurde an 

dieser Stelle des Infoplaners bereits ausführlich 

darauf hingewiesen. Der Regie- 

Altmeister ist leise abgetreten und denkt 

manchmal laut vor sich hin, denn von seiner 

Erfahrung wollen/sollen die jungen 

Filmemacher noch lange zehren. Und 

selbstverständlich, das Drehbuch bei 

CADFEM schreibt weiterhin ANSYS. Was 

wir tun, denken und lenken dreht sich zu 

100% um ANSYS. ANSYS hat sich als 

Glücksfall für CADFEM herausgestellt 

und CADFEM ist ein Glücksfall für 

ANSYS. Kürzlich, an der ANSYS World 

Wide Sales Conference, wurde ich einmal 

mehr Zeuge dieses Einflusses. CADFEM 

ist ein sehr wichtiger Partner von ANSYS 

und kann durch lokale Markt- und 

Wettbewerbskenntnisse auch Zukunft 

und Strategie der Produkte beeinflussen. 

Kunden fragen mich, was es denn bringe, 

wenn man seine Entwicklungswünsche 

und Verbesserungsvorschläge bei CADFEM 

deponiert? Viel, denn aus guten Vorschlägen 

wird Realität. CADFEM wird 

gehört. 

Mittlerweile spielt bei uns auch das Thema 

Wind im Bereich der alternativen oder 

grünen Energieerzeugung eine wichtige 

Rolle. Wir haben in der Berechnung von 

Composites-Materialien bei ANSYS Nachholbedarf 

erkannt und haben deshalb zusammen 

mit der EVEN AG aus Zürich den 

ANSYS Composite PrepPost entwickelt. 

Jetzt modellieren unsere Kunden nicht nur 

effizient Rotorblätter von Windkraftanlagen, 

sondern bilden ganze Berechnungsprozesse 

CAD-integriert ab. Dabei unterstützt 

sie auch ESAComp von Componeering 

aus Helsinki. ESAComp wird für die 

Vordimensionierung eingesetzt und liefert 

Materialdaten. Unsere Kompetenz haben 

wir ausgebaut und wir haben viel Rückenwind 

durch die ANSYS Strategie und Vision. 

Von der Auswahl von geeigneten Standorten 

für Windkraftanlagen zu Generato- 

Seit über 20 Jahren das Gesicht und die Stimme 

von CADFEM in der Schweiz: Markus Dutly 

Foto: Jan-Stefan Knick 

ren, Getriebe, Gehäuse, bis zur strömungsoptimierten 

Form von Rotorblättern. ANSYS 

bildet die ganze Simulationskette ab. Das 

ist einzigartig! CADFEM liefert das Gesamtpaket 

inklusive Know-how Transfer, 

Training und Support. Langfristig! 

Merken Sie sich das Wort Systemsimulation. 

Vor 20 Jahren waren wir glückliche 

Ingenieure, wenn unsere Modelle 10.000 

Knoten gross waren. Kontinuierlich stiegen 

Editorial 

die Ansprüche und die Lösungen. Heute 

wollen Baugruppen mit Hunderten von Bauteilen 

und Millionen von Freiheitsgraden 

gelöst werden. Der nächste Schritt heisst 

Systemsimulation. Unser Vorzeigebeispiel 

ist ein Hybridfahrzeug. Zusammen mit 

einem brasilianischen Automobilhersteller 

hat CADFEM ein komplettes System abgebildet. 

Was zunächst nach einer windigen 

Idee aussah, wird nun zur Realität. Von der 

Batterie zur Elektronik, zum Elektromotor, 

zum mechanischen Antriebsstrang, zur Regelung 

können wir alle Komponenten in 

einer Gesamtsystemsimulation abbilden. 

Auch hier gilt: ANSYS hat die Strategie und 

die Vision, CADFEM setzt sie zusammen 

mit Ihnen in die Realität um. Was als einzelne 

Komponente optimal funktioniert, 

funktioniert noch lange nicht im Zusammenspiel 

aller Komponenten. Achsversagen 

an Zügen, Fahrzeug-Rücklaufaktionen, 

berstende Bohrinseln… Beispiele bei denen 

zu wenig oder gar nicht simuliert wurde 

gibt es genügend. Einer der den „wind of 

change“ gestaltete sagte einst: „Wer zu 

spät simuliert, den bestraft das Leben.“ 

Markus Dutly 

Geschäftsführer CADFEM (Suisse) AG 

markus.dutly@cadfem.ch 

P.S. 

Vor 20 Jahren gab es an dieser Stelle einmal 

einen peinlichen Tippfehler. Günter Müller, 

Geschäftsführer der CADFEM GmbH zeichnete 

mit „gesellschaftender Geschäftsführer“ 

anstatt „geschäftsführender Gesellschafter“. 

Daraufhin musste der Nachwuchs 

in nächtelanger Fleissarbeit diesen 

Fehler mit TippEx korrigieren. Heute ist der 

damalige Geschäftsführer endlich mehr am 

Gesellschaften und das gönnen wir ihm. 

Infoplaner 01/2011 

1

CADFEM 

ANSYS Conference 

& 29. CADFEM Users’ Meeting 

19. – 21. Oktober 2011, Stuttgart, ICS Internationale 

Willkommen 

in der Modellregion 

Elektromobilität ist aus ökologischen und ökonomischen 

Gründen eine der großen Herausforderungen der nächsten 

Jahre. Schritt für Schritt wird sie im Alltag der Menschen 

traditionelle Formen der Mobilität ablösen. Um diesen 

Prozess besser zu verstehen und zu optimieren, wurden 

Projekte zur Elektromobilität in sogenannten Modellregionen 

definiert. 

Um die Elektromobilität besser zu verstehen und zu optimieren, 

hat der Simulationsspezialist ANSYS sein Portfolio um ein Set an 

Anwendungen erweitert, das für die Entwicklung und Umsetzung 

innovativer Antriebskonzepte buchstäblich Modellcharakter hat: 

Strukturmechanische, strömungsmechanische oder elektromagnetische 

Simulationsmodelle der einzelnen Komponenten werden in 

einer einheitlichen Umgebung, einzeln, im Zusammenspiel und 

unter Berücksichtigung der Steuerung als komplettes multiphysikalisches 

System abgebildet – Simulating the Entire System! 

2 Infoplaner 01/2011 

Die Simulationsmöglichkeiten im Bereich der Elektromobilität und 

in vielen weiteren aktuellen Anwendungsgebieten, in denen strukturmechanische, 

strömungsmechanische und elektromagnetische 

Fragestellungen sowie deren Systemintegration von großer Bedeutung 

sind, stehen im Mittelpunkt der ANSYS Conference & 

und des 29. CADFEM Users’ Meetings, zu dem Sie die CADFEM 

GmbH und die ANSYS Germany GmbH vom 19. – 21. Oktober 

2011 einladen. Im Internationalen Congresscenter der Modellregion 

Stuttgart dreht sich an drei Tagen in Fachbeiträgen von 

Anwendern, in Kompaktseminaren und Technologie-Updates alles 

um den aktuellen Stand der Simulation in einer effizienten, innovationsorientierten 

Produktentwicklung mit ANSYS und komplementären 

Lösungen. 

Foto: Jan-Stefan Knick

2011 

s Congresscenter Stuttgart 

Themen & Struktur 2011 

Voraussichtliche Programmstruktur 

Mittwoch, 19. Oktober 2011 

• Eröffnungsplenum 

• ANSYS Softwareneuheiten: 

- Strukturmechanik 

- Strömungsmechanik 

- Elektromagnetik & Hochfrequenztechnik 

- Systemsimulation & Multiphysik 

• Robust Design Optimization, High Performance Computing, 

Model Order Reduction 

• Simulationslösungen für: Elektromobilität, Batterieentwicklung, 

Maschinenbau, Windkraft, Elektronik, Biomechanik, Bauwesen, 

Green Buildings 

Donnerstag, 20. Oktober 2011 

• Anwenderbeiträge: 





• 8. CAE-Forum 

• Abschlussplenum 

• Große Abendveranstaltung 

Freitag, 21. Oktober 2011 

• Kompaktseminare: 






www.usersmeeting.com 

Jetzt Vortragsangebote einreichen! 

Anwender von ANSYS sind sehr herzlich eingeladen, sich aktiv an 

der Programmgestaltung zu beteiligen. Bitte senden Sie uns bis 

zum 31. Mai 2011 Ihre Vortragsangebote für einen Beitrag am 

Donnerstag, 20. Oktober 2011. 

Jetzt schon anmelden und Frühbucherkonditionen sichern! 

Wenn Sie schon heute wissen, dass Sie die Veranstaltung besuchen 

werden, dann sollten Sie sich vor dem 31. Mai 2011 anmelden 

und sich einen Frühbucherrabatt von 10% sichern. Eine kostenlose 

Stornierung ist bis einen Monat vor der Veranstaltung möglich. 

Präsentieren Sie sich in der Fachausstellung! 

Die begleitenden Fachausstellung ist an allen drei Veranstaltungstagen 

der zentrale Treffpunkt in den Pausen und teilweise 

bei den Mahlzeiten. Wenn Sie zu ANSYS komplementäre Produkte 

oder Dienstleistungen anbieten, informieren wir Sie gerne über 

die Möglichkeiten! 

Alle Informationen und Anmeldemöglichkeiten zur Vortragseinreichung, 

Teilnehmerregistrierung und Fachausstellung sowie 

viele weitere Details finden Sie auf www.usersmeeting.com 


3 

Foto: Messe Stuutgart

Inhalt 

Inhalt 



12 

38 

37 

44 

Rotordynamische Analysen mit ANSYS: 

Damit es rund läuft 

Schnell drehende Strukturen erzeugen Effekte, die die Effizienz des 

Gesamtsystems beeinträchtigen. Mit ANSYS Workbench kann hier 

gezielt gegengesteuert werden. 

Akustik-Simulation mit ANSYS Workbench: 

Den richtigen Ton treffen 

ANSYS Simulationsanwendungen 

für die Entwicklung von Windkraftanlagen: 

Effizient in allen Teilen 

ANSYS Workbench ist die Simulationsplattform 

für die Entwicklung von Systemen, bei denen es 

auf Energieeffizienz ankommt. 

Wie ANSYS im Windenergiesektor von der 

Entwicklung der Rotorblätter bis hinunter zur 

Optimierung der Pfahlgründung eingesetzt wird, 

erfahren Sie auf 

Mit dem Workbench Add-In ANSYS Acoustics Structures kann der abgestrahlte 

Schall einer vibrierenden Struktur in wenigen Mausklicks berechnet werden. 

Akustik für alle. 

Seite 38 – 41 

Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost: 

Stabile Faserverbundbauweise 

An der TU Chemnitz wurden die Beanspruchungen eines Fahrradrahmens 

aus CFK im Fahrbetrieb mit ANSYS Composite PrepPost virtuell abgebildet 

und analysiert. 

Seite 12 – 29 

Seite 37 

Seite 44 – 46

01 Editorial 


02 ANSYS Conference & 29. CADFEM Users’ Meeting 2011 in Stuttgart 

06 CADFEM News – Nachrichten von CADFEM & aus der CAE-Welt 

11 CADFEM International: Ein Dach für weltweite Aktivitäten 

Themenschwerpunkt Windkraft 

12 Effizient in allen Teilen: Simulation mit ANSYS in der Windkraft 

14 Überblick: Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung 

16 Faserverbundwerkstoffe: Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPost 

18 Luftströmung: Turbulente Windparkplanung 

21 Linearelastische Bruchmechanik mit ANSYS Workbench 

22 Betriebsfestigkeit: Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer 

24 Systemsimulation des elektrischen Netzes: Simulation mit System 

26 Lärmreduzierung bei der Offshore-Pfahlgründung: Stillerer Ozean 

28 Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern 

ANSYS 

32 ANSYS im Überblick 

33 Neu in ANSYS 13.0 

34 ANSYS Software im Überblick 

35 CADFEM – ANSYS Competence Center FEM 

36 Komplementäre CAE-Software zu ANSYS 

37 Akustik-Simulation in Workbench 

38 Rotordynamische Analysen mit ANSYS: Damit es rund läuft 

42 ANSYS EKM kann nicht nur Daten verwalten 

44 Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost: 


esocaet – European School of Computer Aided Engineering Technology 

47 Job oder Masterstudium? Am besten beides! CAE-Trainee bei der CADFEM GmbH 

48 6. CAE-Forum betrachtete die Wirtschaftlichkeit von Simulationen 

Grundlagen & Technologie 

49 Revisiting the Mechanical Testing of Human Arterial Tissue 

Considering Residual Stresses 

52 Review of the Basic Hyperelastic Constitutive Models in ANSYS 13.0 

CADFEM Empfehlungen 

30 Reisebericht: Ins Reich der Mitte & aufs Dach der Welt 

54 Particle Productions: Promotional films optimised for web, trade fairs and podcasts 

56 Bestellformular für Bücher und Software 

U2 Anzeige HP 

20 Anzeige Erneuerbare Energien 

47 Anzeige esocaet – CADFEM GmbH 

51 Anzeige Matereality – IDAC 

U3 Anzeige expert-verlag 

Impressum 

Inhalt / Impressum 

Herausgeber: 

CADFEM GmbH 

Marktplatz 2 

85567 Grafing b. München 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-0 

Fax +49 (0) 80 92-70 05-77 

E-Mail info@cadfem.de 

www.cadfem.de 

Anzeigen/Koordination/Redaktion: 

Alexander Kunz, akunz@cadfem.de 

Gerhard Friederici, gfriederici@cadfem.de 

Layout: 

christian loose grafik design, Aßling/Lorenzenberg 

Produktion: 

Bechtle Druck & Service, Esslingen 

Auflage 35.000 Exemplare 

Geschäftsführer: 

Christoph Müller, M.Sc., 

Dr.-Ing. Jürgen Vogt, 

Erke Wang 

Handelsregister-Nummer: 

HRB München Nr. 75979 

Ust.-Ident.-Nummer: 

DE 131171831 

Steuernummer: 

114/123/00051 

Betriebshaftpflichtversicherung: 

Zurich Gruppe Deutschland 

Poppelsdorfer Allee 25-33 

53115 Bonn 

Geltungsbereich: weltweit 

Copyright: 

© 2011 CADFEM GmbH. Alle Rechte vorbehalten. 

Gedruckt in Deutschland. Jede Verwertung außerhalb 

der engen Grenzen des Urheberrechtsschutzes ist ohne 

Zustimmung der CADFEM GmbH unzulässig. Dies gilt 

insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, 

Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und 

Verarbeitung in elektronischen Systemen. 

Warenzeichen/eingetragene Warenzeichen: 

ANSYS, ANSYS DesignSpace, ANSYS Professional NLS, 

ANSYS Structural, ANSYS Mechanical, ANSYS Mechanical/EMAG, 

ANSYS Explicit STR, ANSYS Multiphysics, 

ANSYS Icepak, ANSYS CFD, ANSYS Workbench, ANSYS 

CFX, ANSYS ICEM CFD, ANSYS AUTODYN, ANSYS 

FLUENT, Ansoft, Maxwell, HFSS, Ansoft Designer, 

SIwave, Q3D Extractor, TPA, Simplorer, RMxprt, PExprt, 

ANSYS nCode DesignLife, ANSYS Rigid Dynamics, 

ANSYS SpaceClaim, ANSYS Composite PrepPost, ANSYS 

HPC und alle Produkt- oder Dienstleistungsnamen von 

ANSYS, Inc. sind registrierte Warenzeichen oder Warenzeichen 

von ANSYS, Inc. und Ansoft Corp.. LS-DYNA, 

LS-OPT und LS-PrepPost sind registrierte Warenzeichen 

der Livermore Software Technology Corp.. 

Sämtliche in diesem Heft genannte Produktnamen sind 

Warenzeichen oder registrierte Warenzeichen ihrer jeweiligen 

Eigentümer. Aus dem Fehlen der Markierung 

kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung 

ein freier Warenname ist. Irrtümer und Änderungen vorbehalten. 


5

CADFEM News 

■ Neu bei Hanser: Praxisbuch 

FEM mit ANSYS Workbench 

Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik 

■ Materialdatenbank für ANSYS 13.0 


Das Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench von CADFEM 

Mitarbeiter Christof Gebhardt richtet sich an Ingenieure und 

technisch Verantwortliche aus der Entwicklung. Auf verständliche 

Weise werden die Grundlagen der Finite-Elemente-Methode (FEM) 

vermittelt und die Anwendungsgebiete lineare und nichtlineare 

Statik sowie lineare und nichtlineare Dynamik erläutert. 

Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der praktischen Anwendung 

von ANSYS Workbench, bezogen auf die Version 13.0. Dazu 

gehören die geeignete Vernetzung, die Definition und Kontrolle 

von Last- und Lagerbedingungen, aber auch die Wahl des 

passenden Berechnungsansatzes (lineare/nichtlineare oder implizite/explizite 

Lösung). 

Christof Gebhardt 

Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench 

Einführung in die lineare und nichtlineare Mechanik 

Erschienen im Hanser-Verlag (2011) 

372 Seiten 

Flexibler Einband, Pappband 

ISBN-10: 3-446-42517-9 

ISBN-13: 978-3-446-42517-0 

Einzelpreis EUR 49,90 

Bezug: 

Bestellen Sie Ihr Exemplar mit dem Formular auf der letzten Seite 

dieses Infoplaners oder online auf www.cadfem.de/shop 

Matereality und IDAC UK präsentieren 

die Materialdatenbank für ANSYS 13.0 

Die Materialdatenbank ist in ANSYS Workbench 13.0 integriert 

und auch mit anderen ANSYS Versionen kompatibel. Sie enthält 

die linearen und nicht-linearen Datensammlungen von IDAC UK, 

die nicht-lineare CAE-Materialdatenbank von DatapointLabs, die 

elektronische Materialdatenbank von NIST sowie Datensammlungen 

von vielen Kunststoffherstellern. 

2.000 Materialmodelle sofort verfügbar für ANSYS und 

Tausende mehr auf Anfrage! 

Mit einer einmaligen Gebühr haben Anwender Zugang zu einer 

stetig wachsenden Datenbank für ANSYS und zu weiteren Daten, 

die in Matereality veröffentlicht sind. 

In Matereality können Anwender außerdem ihre eigenen Datensammlungen 

erstellen, pflegen und mit ANSYS Workbench verbinden! 

info@matereality.com

■ CADFEM auf Messen und Kongressen 

JEC Composites Show 

29. – 31. März 2011 in Paris 

Halle 1.1 Stand F35 

www.jeccomposites.com/jec-show 

Hannovermesse – Digital Factory 

4. – 8. April 2011 in Hannover 

Halle 17, Stand D51 

Halle 17, Stand C48 (Sonderschau RapidX) 

www.hannovermesse.de 

International Conference 

on Sustainable Automotive Technologies 

5. – 6. April 2011, Clemson University / CU-ICAR (USA) 

www.cuicar.com/icsat 

21. ANSYS User Club Deutschland e.V. Workshop 

7. – 9. April 2011 in Stuttgart 

www.auc-ev.de 

8. Jenaer Akustiktag 

27. April 2011 in Jena 

www.mb.fh-jena.de 

kunststoffe + SIMULATION 

17. – 18. Mai 2011 in München 

www.hanser-tagungen.de/simulation 

PCIM Europe 

Power Electronics / Intelligent Motion / Power Quality 

17. – 19. Mai 2011 in Nürnberg 

Halle 12, Stand 516 

www.pcim.de 


7. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft 

für Biomechanik 

19. – 21. Mai 2011 in Murnau 

www.conventus.de/dgfb2011 

8th European LS-DYNA Conference 

23. – 24. Mai 2011 in Strasbourg (F) 

www.lsdynaeuc.alyotech.fr 

10. BlechExpo 

Die Internationale Fachmesse für Blechbearbeitung 

6. – 9. Juni 2011 in Stuttgart 

Halle 8, Stand 8500 

www.blechexpo-messe.de 

Multiphase Flows 

Simulation, Experiment and Application 

8. – 10. Juni 2011 in Dresden-Rossendorf 

www.ansys-germany.com 

4. GACM Colloquium on Computational Mechanics 

for Young Scientists from Academia and Industry 

31. August – 2. September 2011 in Dresden 

www.gacm.de 

■ ESAComp Users’ Meeting 

The seminar is arranged jointly by Componeering Inc., the 

developer of ESAComp software, and Lehrstuhl für Carbon 

Composites (LCC) at TU München. The first seminar day includes 

an introduction to TUM-LCC activities, update on the 

latest developments in the ESAComp software, and several 

composite design and simulation related presentations by 

professionals from the industry and research institutes. The 

second seminar day consists of two parallel workshops, one 

for Aerospace industry and the other one for Marine, wind 

energy and industrial applications. These are followed by a 

workshop on composites optimization in the afternoon. In 

parallel with the workshops, a one-day ESAComp training 

course is provided. 

www.esacomp.com 


7


■ CADFEM Users’ Meetings 


& 6. CADFEM Austria Users’ Meeting 

Vom 7. – 8. April 2011 findet die ANSYS Conference & das 

6. CADFEM Austria Users’ Meeting in Wien statt. Die Konferenz 

richtet sich an alle, die Produkte virtuell entwickeln – oder dies in 

Zukunft tun wollen – und ist der jährliche Fixpunkt in der CAE- 

Landschaft Österreichs. 

Im Blickpunkt der 6. Fachtagung stehen schnelle Entwicklungen 

und optimierte Produkte, die Sie mit ANSYS und komplementären 

Simulationstechnologien berechnen können. 

www.usersmeeting.at 


& 16. Schweizer CADFEM Users’ Meeting 

Vom 30. Juni – 1. Juli 2011 richten die CADFEM (Suisse) AG und 

die ANSYS Germany GmbH in Zürich die diesjährige ANSYS 

Conference & das 16. Schweizer CADFEM Users’ Meeting aus. 

Das Programm wird momentan zusammengestellt, Vortragseinreichungen 

werden noch entgegen genommen. 

www.usersmeeting.ch 

■ CADFEM Geschäftsstelle 

in Lausanne ist umgezogen 

Weil die bisherigen Räumlichkeiten aus allen Nähten zu platzen 

drohten, ist die Geschäftsstelle der CADFEM (Suisse) AG in Lausanne 

von der Uferpromenade am Genfer See nach Renens, unmittelbar 

vor den Toren Lausannes, umgezogen. 

Neue Adresse: 

CADFEM (Suisse) AG 

Avenue de la Poste 3 

1020 Renens 

Tel. +41 (0) 21-6 14 80-40 

Fax +41 (0) 21-6 14 80-49 

E-Mail info@cadfem.ch 

www.cadfem.ch 


■ Fachzeitschrift: „caMe – Computer 

Aided Medical Engineering“ 

Die neue Fachzeitschrift 

„caMe – Computer 

Aided Medical Engineering“ 

beschäftigt 

sich mit etablierten Ingenieursmethoden 

in 

dem relativ neuen Anwendungsgebiet 

der 

Medizin beziehungsweise 

der Biomechanik. 

Mit ihrer bewusst sehr 

praxisorientierten Ausrichtung 

wendet sie sich 

unter anderem an Entwicklungs- 

und Dienstleistungsunternehmen 

im medizinischen Umfeld 

sowie an Forscher 

aus diesem Bereich. 

caMe informiert mit aktuellen Fachbeiträgen und Branchenmeldungen 

über die Einsatzgebiete der Simulationsmethoden in der 

Medizin, über den heutigen Stand der Technik und gibt einen Ausblick, 

welches Nutzenpotential sich demnächst erschließen lässt. 

Die aktuelle Ausgabe (März 2011) kann kostenfrei 

per E-Mail an marketing@cadfem.de angefordert werden. 

■ Simulation online lernen: 

eFEM für Praktiker 

Die Kenntnis der rechnergestützten Simulationstechnik auf Basis 

der Finite-Elemente-Methode (FEM) bedeutet Lösungskompetenz 

für Probleme, mit denen sich die Fachleute aus der Produktentwicklung 

täglich auseinandersetzen müssen. 

Galt die FEM-Simulation bis in die jüngste Vergangenheit als eine 

Sache für Spezialisten, öffnen neue Software-Tools breitere Anwendungsmöglichkeiten. 

Allerdings fehlt oft noch das nötige 

Know-how, um sie gezielt einzusetzen. 

Mit dem e-Learning Kurs eFEM für Praktiker können Techniker, 

Konstrukteure oder Versuchsingenieure diese Wissenslücke 

schließen. Angeboten vom Simulationsspezialisten CADFEM, vermittelt 

der Kurs Grundlagen in der Anwendung der FEM. 

Die nächsten Kurse starten am 2. Mai 2011 

und am 6. September 2011. 

www.esocaet.com/training

■ FEM-Information 

kompakt und kostenfrei 

Informationstage & Info-Webinare 

Von der grundlegenden Einführung in das Thema FEM 

über vertiefende Informationen zu neuen Produkten und 

Modulen bis hin zu Technologie-Updates erfreuen sich die 

kostenfreien CADFEM Infotage und Info-Webinare großer 

Beliebtheit. 

Während die ganztägigen Informationstage Seminarcharakter 

haben und den Teilnehmern ein Gesamtbild vermitteln, 

erhalten die Teilnehmer der Info-Webinare online 

am eigenen Arbeitsplatz in einer Stunde wesentliche Informationen 

zu einem Spezialthema. 

Im Mittelpunkt steht die technische Anwendung. Ziel ist, 

Interessierten einen kompakten und praxisorientierten 

Überblick zum gewählten Thema zu geben, als Entscheidungsgrundlage 

für einen möglichen Einsatz bei aktuellen 

oder künftigen Entwicklungsprojekten. 

Informationstage 

ANSYS Strukturmechanik 

• Workflow und Werkzeuge 

• FEM-Theorie 

• Material 

• Statik 

• Dynamik 

Termine 

• 13. April 2011 in Nürnberg 

• 5. Mai 2011 in Birr (CH) 

• 17. Mai 2011 in Aachen 

• 24. Mai 2011 in Berlin 

• 16. Juni 2011 in Wels (A) 

• 6. Juli 2011 in München 

• 12. Juli 2011 in Friedrichshafen 

Info & Anmeldung 

www.cadfem.de/strukturmechanik 

Themen weiterer Informationstage: 

• Robust Design Optimierung 

• FEM in der Prothetik 

• Elektromechanik 

Info, Termine & Anmeldung 

www.cadfem.de/infotage 

© iStockphoto.com/sodafish 

Webinare 

Themen, Info, Termine & Anmeldung 

www.cadfem.de/webinare 



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■ CADFEM Users’ Meeting 2010 

in Aachen – Rückblick 

Zur ANSYS Conference & dem 28. CADFEM Users’ Meeting vom 

3. – 5. November 2010 in Aachen konnten CADFEM und ANSYS 

Germany über 650 externe Teilnehmer begrüßen. Die CD-ROM 

mit über 90% der mehr als 250 Anwenderbeiträge und Workshops 

kann bei CADFEM erworben werden. 

Ein Rückblick zu Aachen 2010 und alle Informationen zur diesjährigen 

Veranstaltung vom 19. – 21. Oktober 2011 in Stuttgart 

finden sich auf 

www.usersmeeting.com 

■ ANSYS mit neuer Homepage 

ANSYS hat Anfang des Jahres das Design der Firmenhomepage 

überarbeitet und präsentiert sich nun im Netz mit einem aufgefrischten 

Auftritt. 

www.ansys.com 


Foto: Jan-Stefan Knick 

■ Symposium 2011: 

ANSYS Simulationslösungen 

für elektromechanische Systeme 

18. Mai 2011 in Würzburg 

Die ANSYS Suite bietet verschiedene Werkzeuge für die Auslegung 

von elektromechanischen Systemen. So wird Maxwell als 

etabliertes Werkzeug für die Berechnung von niederfrequenten 

elektrischen und magnetischen Feldern eingesetzt. 

In Kombination mit ANSYS Workbench ist Maxwell insbesondere 

für die Simulation von elektrischen Antrieben (Elektromotoren, 

Elektromagneten, Sensoren etc.) zugeschnitten. Ergänzt wird es 

im Bereich der analytischen Berechnung von Elektromotoren durch 

RMxpert bzw. von Spulensystemen durch PExpert sowie zur Systemsimulation 

mit Simplorer. 

Durch die Verzahnung der Einzelwerkzeuge und dem Austausch 

von Daten mit ANSYS Mechanical und ANSYS CFD sind komplexe 

Berechnungen von elektromechanischen Systemen, z.B. thermische 

oder akustische Wechselbeziehungen, schnell und effizient 

in ANSYS Workbench möglich. 

In diesem Symposium werden die Vorteile der ANSYS Lösung für 

die Simulation elektromechanischer Systeme vorgestellt und an 

zahlreichen Beispielen aufgezeigt. 

www.cadfem.de/symposium

CADFEM International: 

Ein Dach für weltweite Aktivitäten 


Um gemeinsam besser agieren zu können, bildet die CADFEM International (CFI) das Dach, unter dem die 

Aktivitäten von CADFEM und deren Firmenbeteiligungen zusammengefasst sind. Damit wurde eine Art 

Holding etabliert, mit der sich beispielsweise die einzelnen Entwicklungen zur Realisierung neuer Geschäftstätigkeiten 

besser koordinieren lassen. Außerdem können die internationalen Aktivitäten firmenübergreifend 

abgestimmt und ausgebaut werden. Zukünftig könnte die CFI auch übergreifende Aufgaben im 

Unternehmensverbund übernehmen. 

Zu CADFEM International (CFI) gehören die deutsche CADFEM 

GmbH, die CADFEM (Suisse) AG und die CADFEM (Austria) GmbH, 

bei denen insgesamt rund 150 Mitarbeiter tätig sind. Außerdem 

ist CFI an den Unternehmen CADFEM Engineering Services India 

PVT Ltd. (Indien), CADFEM Technology India PVT Ltd. (Indien), 

Anshizhongde Consulting (Beijing) Ltd. (China), CADFEM CIS (Russland), 

SVS FEM (Tschechien), MESco (Polen) und CADFEM US, Inc. 

(USA) beteiligt, die ebenso wie CADFEM in Zentraleuropa ihr Hauptgeschäft 

mit ANSYS-Lösungen realisieren. 

Zusätzlich bestehen CFI-Beteiligungen mit unterschiedlich großen 

Unternehmensanteilen bei Copf-Bionic India (Indien), Ozen Engineering 

Inc. (USA), A&Z (Schweden), Componeering (Finnland), 

inuTech GmbH (Deutschland), Dynardo GmbH (Deutschland), virtualcitysystems 

GmbH (Deutschland) und MyDomicile.com GmbH 

(Deutschland). Diese Unternehmen sind im ANSYS-komplementären 

Bereich und auch in anderen Anwendungsfeldern tätig. Insgesamt 

beschäftigen die CFI-Unternehmen etwa 320 Mitarbeiter. 

Small is beautiful 

Mit der Beteiligung an anderen Unternehmen, der Gründung von 

neuen Unternehmen gemeinsam mit anderen Spezialisten sowie 

der Unterstützung von interessanten Neugründungen folgt 

CADFEM International (CFI) der Devise „Small is beautiful“. Denn 

kleine Firmen können flexibel agieren, deren Mitarbeiter übernehmen 

viel Verantwortung und ihre Identifizierung mit dem 

„eigenen“ Unternehmen ist sehr hoch. 

Über die CFI können größere Consulting-Aufträge auf unterschiedliche 

Firmen unter dem gemeinsamen Dach verteilt werden. 

Beispielsweise sind kostengünstige Ressourcen in Indien oder Russland 

nutzbar. Außerdem dienen erfolgreiche Geschäftsprozesse 

eines CFI-Unternehmens als Vorbild für Schwester-Unternehmen. 

CADFEM in Russland, Indien, USA 

Im Jahr 2011 soll ein besonderes Augenmerk auf den Ausbau der 

Geschäftstätigkeiten in Russland, Indien und der USA gelegt 

werden. CADFEM CIS in Russland beschäftigt zur Zeit über 20 

Mitarbeiter und ist neben der Zentrale in Moskau auch in 

St. Petersburg, Kiew, Samara und Irkutsk vertreten. Für dieses Jahr 

sind eine weitere Aufstockung der Mitarbeiter sowie eine zusätzliche 

Geschäftsstelle in Novosibirsk anvisiert. 

CADFEM ist in Indien schon seit März 2007 in Hyderabad vertreten. 

Im letzten Jahr erfolgten zwei weitere Unternehmensgründungen 

in Pune. Insgesamt werden im Jahr 2011 knapp 20 Mitarbeiter unter 

dem Dach der CADFEM International in Indien tätig sein, unter 

anderem im Software-Vertrieb und mit entsprechendem Seminarund 

Consulting-Angebot. Außerdem werden Outsourcing-Tätigkeiten 

für CADFEM und deren Kunden übernommen. 

Mitte 2010 wurde die CADFEM US, Inc. in Greenville, South 

Carolina, gegründet. Sie ist im Partnerbüro der Clemson University 

– International Center for Automotive Research (CU-ICAR) 

untergebracht und soll in den nächsten Jahren dort als CADFEM- 

Vertretung dienen. 

Diese weltweit koordinierten Aktivitäten unter dem Dach von 

CADFEM International werden ergänzt durch die Mitgliedschaft 

von CADFEM-Unternehmen in der TechNet Alliance, deren Mitglieder 

gemeinsam einen noch weiteren Aktionsradius sowohl 

bezüglich der regionalen Vertretung als auch der technischen 


Themenschwerpunkt: Windkraft 

ANSYS Simulationsanwendungen für 

die Entwicklung von Windkraftanlagen 

Effizient in allen Teilen 


14 – 15 

28 – 29 

16 – 17 

26 – 27 

18 – 20 

24 – 25 

21 

22 – 23


Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung 

Überblick: Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen Seite 14 – 15 

Rotorblattentwicklung mit ANSYS Composite PrepPost 

Modellierung und Versagensanalysen von Rotorblättern aus Faserverbundwerkstoffen Seite 16 – 17 

Turbulente Windparkplanung 

F2E – Fluid & Energy Engineering: Berechnung der dreidimensionalen turbulenten Windfelder Seite 18 – 20 

Linearelastische Bruchmechanik mit ANSYS Workbench 

REpower: Abschätzung der Sprödbruchsicherheit bei Kaltklimabedingungen Seite 21 

Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer 

AREVA Wind: Betriebsfestigkeitsanalyse von Gussbauteilen bei der Entwicklung der Multibrid M5000 Seite 22 – 23 

Simulation mit System 

Abbildung und Optimierung des elektrischen Systems Seite 24 – 25 

Stillerer Ozean 

MENCK: Maßnahmen gegen die Geräuschentwicklung bei der Pfahlgründung von Offshore-Anlagen Seite 26 – 27 

Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern 

Liebherr: Realisierung neuer Krankonzepte für große Windkraftanlagen Seite 28 – 29 

www.cadfem.de/wind 


13



Vom Rotorblatt bis zur Pfahlgründung 

Simulationstechnologien für die Entwicklung von Windkraftanlagen 

Windenergieanlagen zur Stromerzeugung 

können nicht nur in Deutschland 

auf eine steile Karriere zurückblicken. 

In den letzten zwanzig Jahren stieg 

ihre Anzahl von wenigen Hundert auf 

mehr als 20.000 Anlagen, die heute eine 

installierte Leistung von mehr als 

25.000 Megawatt aufweisen können. 

Gleichzeitig wurde die Leistung der einzelnen 

Anlage um etwa das Zehnfache von 

etwa 0,2 auf über 2 Megawatt erhöht. 

Mehr als 6 Prozent des Stromverbrauchs 

wurden schon im Jahr 2007 in Deutschland 

durch Windenergieanlagen produziert. Bis 

2025 soll der Anteil der Windenergie an 

der Stromerzeugung auf 25 Prozent steigen, 

bezogen auf den heutigen Stromverbrauch. 

Damit ist eine Branche entstanden, 

die eine vielversprechende Zukunft bietet 

und schon heute rund 100.000 Menschen 

in Deutschland mit der Planung und dem 

Bau entsprechender Anlagen beschäftigt. 

Jahrelang hat Deutschland im Bereich der 

Windenergie eine Vorreiterrolle gespielt, 

aber immer mehr Länder investieren in diese 

umweltschonende Technologie. Im Jahr 

2009 wurden in China die meisten neuen 

Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung 

von mehr als 12.500 Megawatt aufgestellt, 

gefolgt von den USA, Spanien, 

Deutschland, Indien, Italien und Frankreich. 

Aber nicht nur der Bau von immer mehr 

Windenergieanlagen, sondern auch der 

Ersatz (Repowering) von älteren Anlagen 

mit geringeren Leistungen steht auf der Tagesordnung. 

So wurden im letzten Jahr in 

Deutschland 116 ältere Windenergieanla- 


gen durch 80 neue ersetzt, wobei die Gesamtleistung 

von knapp 56 auf über 180 

Megawatt erhöht wurde. 

Ein weiteres sehr aktuelles Thema ist die 

Windenergienutzung auf dem Meer (Offshore). 

Hier wurden auch in den deutschen 

Meeresgebieten die ersten Anlagen – die 

in den meisten Fällen eine höhere Leistung 

erbringen als die Anlagen an Land – in Betrieb 

genommen. In Deutschland sind bis 

zum Jahr 2030 Offshore-Anlagen mit einer 

Gesamtleistung von rund 25.000 Megawatt 

geplant. 

Mit Simulation effizient in allen Teilen 

Die innovativen Unternehmen im hochdynamischen 

Markt der Windenergienutzung 

setzen in der Produktentwicklung 

konsequent auf leistungsfähige Werkzeuge 

und effiziente Methoden, um die Auslegung 

der Windenergieanlagen zu optimieren. 

Dank zahlreicher Kunden und 

Projekte aus dem Windenergiesektor verfügt 

CADFEM auch in diesem Bereich der 

erneuerbaren Energien über ein vielfältiges 

Know-how. 

Die Effizienz praktisch aller Komponenten 

einer Windkraftanlage kann auf dem Wege 

der Simulation überprüft und optimiert 

werden. Beispielhaft werden auf den 

folgenden Seiten Kundenanwendungen 

und Berechnungsprojekte vorgestellt, die 

mit ANSYS Simulationslösungen realisiert 

wurden. Das Spektrum reicht von „ganz 

oben“, der Auslegung der Rotorblätter, 

über Fragen der Luftströmung und strukturmechanischen 

und elektrischen Aspek-

ten bis hinunter zur Pfahlgründung im 

Meeresgrund. 

Zur Modellierung mit Faserverbundwerkstoffen 

bietet die Simulationslösung ANSYS 

Composite PrepPost dem Anwender ein 

breites Spektrum an leistungsfähigen Funktionen 

zur Analyse von Rotorblättern. 

Nordex Energy kann dadurch unter anderem 

bei der strukturellen Auslegung im 

Bereich des Postprocessings sehr schnell die 

Versagenskriterien auswerten. 

Bei knappen Platzverhältnissen für einen 

Windpark können komplexe Turbulenzsimulationen 

die Planungssicherheit erhöhen 

und Aufschluss darüber geben, ob 

der Abstand zwischen den einzelnen Windenergieanlagen 

groß genug ist. Dazu wurden 

von der Firma „F2E – Fluid & Energy 

Engineering“ die dreidimensionalen, turbulenten 

Windfelder im Nachlauf einer 

Windenergieanlage vom Typ ENERCON 

E-66 mit der Simulationssoftware ANSYS 

FLUENT berechnet und mit den Messdaten 

verglichen. 

Auch bei REpower hat die numerische Simulation 

einen festen Platz in der Produktentwicklung. 

Unter anderem wurde – in 

diesem Fall – gemeinsam mit CADFEM ein 

Projekt zur Bruchmechanik durchgeführt. 

Bestimmt wurden die Spannungsintensitätsfaktoren 

an einem Getriebebauteil, 

um die Sprödbruchsicherheit unter Kaltklimabedingungen 

abschätzen zu können. 

AREVA Wind hat bei der Windenergieanlage 

Multibrid M5000 eine Kompakt- 

bauweise realisiert und ein besonderes 

Augenmerk auf das Gewicht gerichtet. 

Mit einer Gondelmasse von 234 Tonnen ist 

sie das Leichtgewicht unter den Offshore- 

Anlagen. Betriebsfestigkeitsberechnungen 

– insbesondere der schweren 

Gussbauteile wie Rotornabe, Hohlwelle 

und Maschinenträger – mit ANSYS 

nCode DesignLife haben einen wesentlichen 

Anteil an der Gewichtsreduktion. 

Das elektrische System einer Windkraftanlage 

beinhaltet alle Komponenten zur 

mechanisch-elektrischen Energiewandlung 

und stellt neben dem Rotor und dem mechanischen 

Antriebstrang die dritte wesentliche 

Funktionsgruppe einer Windenergieanlage 

dar. Wir geben einen Überblick über 

die ANSYS Simulationswerkzeuge, die 

dafür zur Verfügung stehen. 

Im Bereich der Akustik-Analysen wird von 

der Firma MENCK und CADFEM ein gemeinsames 

Projekt realisiert, das die 

Geräuschentwicklung bei der Pfahlgründung 

von Offshore-Windenergieanlage 

mit ANSYS numerisch simuliert. Bei 

der Pfahlgründung werden zur Festigung 

des Fundaments mächtige Stahlpfeiler mit 

Hilfe von hydraulischen Rammhämmern in 

den Meeresboden gerammt. Die massive 

Lärmentwicklung dabei soll durch begleitende 

Lärmschutzmaßnahmen reduziert 

werden. 

Die Entwicklung immer leistungsstärkerer 

und damit schwererer Windenergieanlagen 

geht einher mit immer höheren 

Türmen, auf denen die Anlagen betrieben 

werden. Dies führt zu erheblich gesteiger- 


ten Anforderungen an die Montagekrane. 

Liebherr als führender Hersteller von Fahrzeugkranen 

begegnet den Bedürfnissen 

der Windindustrie mit besonderen Krankonzepten 

und neuen Auslegersystemen, 

die unter anderem mit Hilfe der ANSYS 

Software optimiert werden. 


Rotorblattentwicklung 

mit ANSYS Composite PrepPost 

Zur Modellierung mit Faserverbundwerkstoffen bietet die Simulationslösung ANSYS Composite PrepPost 

dem Anwender ein breites Spektrum an leistungsfähigen Funktionen. Dies gilt insbesondere für die 

Definition von Materialkennwerten, Faserorientierungen, Lagenaufbauten bis hin zur Ergebnisbewertung. 

Durch die assoziative Integration in die ANSYS Workbench und der daran angeschlossen CAD-Welt eröffnen 

sich vielfältige Möglichkeiten zur Variantenberechnung beziehungsweise Optimierung. 

Bild 1: Die Abstufung von Schichten ist beim Rotorblatt eine besondere Herausforderung. 

Die automatische Ermittlung des Materialbedarfs 

durch die Mess - und Sensorfunktionen 

erleichtert Wirtschaftlichkeitsbewertungen 

und fördert somit den effizienten 

Einsatz der Faserverbundwerkstoffe. Die in 

ANSYS Composite PrepPost enthaltenen 

Drapierwerkzeuge dienen zur Abschätzung 

der Baubarkeit, um Anforderungen aus dem 

Produktionsprozess in die Simulation einfließen 

zu lassen. Beim Postprocessing überzeugt 

das Tool durch die konsequente Implementierung 

aller gängigen Versagenskriterien, 

mit denen eine integrale oder 

Bild 2: Eine effiziente Versagens-Analyse berücksichtigt diverse Kriterien. 


schichtweise Auswertung 

realisierbar ist. 

Im Bereich der Windenergie 

erleichtern 

die umfangreichen 

Funktionen eine effiziente 

Auslegung der 

Rotorblätter, die unter 

anderem aus Faserverbundwerkstoffen 

in Sandwich-Bauweise 

gefertigt werden. 

Denn die aerodynamischen 

Freiformgeometrien erfordern 

einen komplexen Laminataufbau mit 

einer Vielzahl von Schichten und einer beliebigen 

Faserorientierung. 

Preprocessing 

Mit Hilfe von Modellierungs-Plys – die im 

einzelnen aus Fabrics, Stackups oder Sublaminaten 

bestehen – können Rotorblattentwickler 

den Laminataufbau analog zum 

Herstellungsprozess definieren. Die dem 

Lagenaufbau zugrunde gelegten, orientierten 

Elementgruppen können sich dabei 

überlappen und in unterschiedlichen 

Richtungen aufgelegt 

werden. Nach der Berechnung 

werden die Modellierungs-Plys 

für die Einzelschichtbewertung 

wieder 

in einzelne Analyseschichten 

aufgelöst. 

Da der Lagenaufbau innerhalb 

ANSYS Composite PrepPost 

über so genannte „named selections“ 

mit den Geometrieelementen 

der ANSYS Workbench 

verknüpft wird, sind erforderliche 

Änderungen der 

Rotorblattgeometrie jederzeit 

schnell und einfach realisierbar. Insbesondere 

durch die Nutzung von parametrischen 

Modellen und der Script-Fähigkeit von 

ANSYS Composite PrepPost kann der Modellierungsaufwand 

für die Rotorblätter 

deutlich reduziert werden. 

Postprocessing 

Entscheidend beim Postprocessing ist vor 

allem die vollständige Implementierung 

aller gängigen Versagenskriterien für faserverstärkte 

Verbundwerkstoffe in Kombination 

mit den entsprechenden Nachweisen 

für Sandwichstrukturen, die sowohl 

global als auch schichtweise untersucht 

werden können. Die „First-Ply-Failure“- 

Analyse bewertet hier ganz allgemein die 

Tragfähigkeit der Struktur hinsichtlich eines 

Erstversagens im Bauteil. 

ANSYS Composite PrepPost ermöglicht eine 

effiziente Versagensanalyse unter Berücksichtigung 

verschiedenster, auch kombinierter 

Versagenskriterien. In einem Konturplot 

können gleichzeitig der kritischste Reservefaktor, 

der maßgebende Versagensmodus 

sowie die versagende Einzelschicht 

und der dazugehörende Lastfall dargestellt 

werden. 

Neuerungen in Version 13.0 

Eine der wichtigsten Neuerungen in der 

Version ANSYS Composite PrepPost 13.0 

ist die Materialdatenbank, die es nun ermöglicht, 

die Materialdaten außerhalb des 

Berechnungsmodells zu speichern und zu 

verwalten. Mit einfachen Copy & Paste- 

Funktionalitäten lassen sich anschließend 

Materialdaten aus der Datenbank importieren 

und exportieren. 

Außerdem stehen mit der neuen Version 

erweiterte Funktionen zur Erstellung und 

Modifizierung von Volumenmodellen zur

Bild 3: Die neue Schnittstelle zwischen FiberSim und ANSYS Composite PrepPost ermöglicht 

enorme Synergieeffekte. 

Verfügung. Mit Hilfe einer Extrudierfunktion 

und einer so genannten Leitgeometrie 

können die gewünschten 3D-Modelle 

jetzt noch einfacher generiert werden. Des 

Weiteren lassen sich jetzt Sandwichkerne 

mit variabler Kerndicke einfach und realitätsnah 

definieren, indem man die Dicke 

des Kerns direkt über die importierte CAD- 

Geometrie festlegt. 

Revolution in der Simulation 

Die Weiterentwicklung 

der Workbench-Integration 

von ANSYS Composite 

PrepPost 

13.0 ermöglicht es, 

eine Berechnung 

im Anschluss an 

die Bearbeitung 

vollständig aus der 

Workbench-Projektseite 

heraus zu 

steuern. 

Mit der neu geschaffenenSchnittstelle 

zwischen Fiber- 

Sim von VISTAGY – einer Engineering-Lösung, 

die sich sehr nah am Konstruktionsprozess 

orientiert – und der Simulations- 

Lösung ANSYS Composite PrepPost können 

alle relevanten Daten der Faserverbundstruktur 

zu jedem Zeitpunkt innerhalb 

der Prozesskette zwischen Konstruktion 

und Simulation ausgetauscht werden, so 

dass enorme Synergieeffekte entstehen. 

„Die Entwicklung neuer immer größerer Rotorblätter mit immer komplexeren Strukturen 

erfordert den Einsatz übersichtlicher und leicht zu handhabender Simulationsprogramme. 

Deshalb suchten wir eine Lösung, mit der es möglich ist, Details 

realitätsnah abzubilden und ihre Belastung aus dem groben Gesamtmodell abzuleiten. 

Ebenso sollten neue Forschungsergebnisse aus dem Bereich der Festigkeitsberechnung 

integrierbar sein. 

Die Implementierung spezifischer Eigenarten von Faserverbundmaterialen wie der 

Anisotropie und dem lagenweisen Aufbau sowie die intuitive Umsetzung des Composite-Designprozesses 

in ANSYS Composite PrepPost stellen eine Revolution in der 

Simulation von Faserverbundmaterialien dar. Durch die leichte und schnelle Bedienung 

lassen sich zeitnah Ergebnisse zu komplexen Problemstellungen generieren. 

Die parametrische und netzunabhängige Modellierung ermöglicht eine effiziente 

Optimierung. Folglich können wir einen durchgehenden Designprozess vom Berechnungsmodell 

bis zur Zeichnung in der Fertigungshalle realisieren, bei dem Designänderungen 

fehlerfrei umgesetzt werden. 

Außerdem sehen wir in der guten und sehr konstruktiven Zusammenarbeit mit den 

Entwicklern die Grundlage für unseren gemeinsamen Erfolg. Dieser zeigt sich in einer 

Erhöhung der Berechnungsgüte, was zu optimiertem Materialeinsatz und damit zu 

Kostenoptimierung führt, sowie in Zeiteinsparungen im Designprozess durch schnellere 

Modellierung.“ 

Hendrik Mester, Rotorblattentwickler bei der REpower Systems AG 

| Zusatzinformation | 


Erhebliche Fortschritte erzielen 

„Eine unzureichende Unterstützung 

der Modellierung und Auswertung 

von Composite-Strukturen mit der bisher 

genutzten Simulationssoftware 

führte bei uns zur Einführung von 

ANSYS Composite PrepPost. In Verbindung 

mit ANSYS Workbench und 

ANSYS Classic können wir erhebliche 

Fortschritte erzielen. Beispielsweise 

können wir bei der strukturellen Auslegung 

im Bereich des Postprocessings 

sehr schnell die Versagenskriterien auswerten. 

Außerdem sollten sich in Zukunft 

durch die VISTAGY-FiberSIM- 

Schnittstelle spürbare Erleichterungen 

beim Datenaustausch mit der Konstruktion 

ergeben.“ 

Jan Wietholt, Entwicklungsingenieur 

bei der Nordex Energy GmbH 


Fazit 

Aufgrund der praxisgerechten Funktionalität 

von ANSYS Composite PrepPost, der 

assoziativen Integration in ANSYS Workbench 

sowie den Neuerungen in der 

Version 13.0 lässt sich ein umfangreiches 

Nutzenpotenzial bei der Auslegung von 

Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit 


Turbulente Windparkplanung 

Ist der Platz im Onshore-Windpark knapp, können komplexe Turbulenzsimulationen die Planungssicherheit 

erhöhen und vor kostspieligen Überraschungen schützen. Jeder Planer muss sich fragen, wie groß der 

Abstand zwischen den einzelnen Windenergieanlagen oder zu benachbarten Bauwerken sein muss. 

Windfeld hinter einer Windenergieanlage vom Typ ENERCON E-66, Nabenhöhe 65 Meter. Die blaue Färbung kennzeichnet hohe 

Windgeschwindigkeiten, weiß niedrige. 

Für das Verständnis der Wechselwirkungen 

ist es wichtig zu wissen, wie sich der direkte 

Nachlauf einer Windenergieanlage 

oder eines hohen Gebäudes auswirkt. Aber 

genau darüber ist bisher wenig bekannt. 

Während Messmasten immer nur wenige 

Punkte messen, ermöglichen computergestützte 

Strömungssimulationen (Computational 

Fluid Dynamics – CFD) die Berechnung 

dreidimensionaler, turbulenter 

Windfelder im Nachlauf von Windenergieanlagen. 

Die instationären Berechnungen und die daraus 

generierten Daten und Animationen 

versetzen den Anwender in die Lage, das 

Windfeld an jedem Punkt im Nachlauf zu 

analysieren und geben Aufschluss darüber, 

wie die Wirbel miteinander verbunden sind. 

Normen: Design und Realität 

Für die Integrität der Konstruktion einer 

Windenergieanlage sind die Windbedingungen, 

die primär zu berücksichtigenden 


Einflussfaktoren. Für die Auslegung von 

Windenergieanlagen im Rahmen der Typenprüfung 

beziehungsweise Zertifizierung 

werden daher verschiedene Windzonen 

definiert. Die Grundparameter für diese 

Windzonen bilden mittlere Windgeschwindigkeiten 

und Turbulenzklassen. 

Die Parameter für die mittlere Windgeschwindigkeit 

und die Turbulenzklasse sind 

allerdings nur die Spitze des Eisberges der 

Windzonendefinition. Dahinter verbirgt sich 

eine Vielzahl weiterer Windparameter, um 

die externen Bedingungen vollständig zu 

definieren. Dies sind unter anderem die 

Schräganströmung, die Windgeschwindigkeitsverteilung, 

das Höhenprofil der 

Windgeschwindigkeit und eine Vielzahl von 

Extremereignissen. Diese Daten sind nötig, 

um die Kräfte und Momente, die auf die 

Windenergieanlage einwirken, bestimmen 

zu können und daraus die Belastung und 

Ermüdung auf eine Betriebszeit von 20 Jahren 

hochzurechnen. 

Windparks richtig ausgelegt 

Die Windparameter sind grundsätzlich für 

den jeweiligen spezifischen Standort nachzuweisen. 

In der Praxis steht die mittlere 

Windgeschwindigkeit und die Turbulenzintensität 

auf Nabenhöhe am Standort im 

Mittelpunkt. Für die Windparkkonfiguration 

ist zu beachten, dass in Windrichtung 

vorgelagerte Windenergieanlagen zwar die 

Windgeschwindigkeit für die nachfolgenden 

Windenergieanlagen erniedrigen, aber 

deren Turbulenzbelastung erhöhen. Bei zu 

enger Aufstellung werden irgendwann die 

Designlasten überschritten. 

Eine bewährte, langjährig erprobte Methode 

und Grundlage für die heutige Genehmigungspraxis 

basiert darauf, dass alle 

standortspezifischen Parameter, die Windparkkonfiguration 

und Materialkonstanten 

in eine virtuelle, so genannte „effektive 

Turbulenzintensität“ überführt werden, die 

durch die Turbulenzklasse der Windzone 

abgedeckt sein muss. Dabei steigen die 

effektiven Turbulenzintensitäten bei sehr 

engen Abständen exponentiell an. 

Wissenslücke Komplexität 

Die berechneten hohen effektiven Turbulenzintensitäten 

bei engen Abständen bilden 

ein Limit für viele aktuelle Planungen. 

Um einschätzen zu können, wie gut die 

Realität abgebildet wird, ist mehr Information 

über das Windfeld im Nahbereich hinter 

einer WEA notwendig. Mit punktuellen 

Messungen allein ist dem komplexen dreidimensionalen 

Windfeld hinter einer Windenergieanlage 

jedoch nicht beizukommen. 

Ab einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit 

vollzieht sich der Wechsel von der 

so genannten laminaren zur turbulenten 

Strömung. Fast alle Strömungen von technischem 

Interesse sind turbulent und die 

bodennahe Strömung der Atmosphäre ist 

es auch, sobald mehr als ein laues Lüftchen 

weht. Theoretisch stellt dies kein Problem 

dar. Die physikalischen Gleichungen zur Beschreibung 

der Vorgänge, die Navier-Stokes-

Gleichungen, sind bekannt. Sollen jedoch 

alle turbulenten Vorgänge erfasst werden, 

muss das Berechnungsgitter auch die kleinsten 

Wirbelstrukturen auflösen. Grob geschätzt 

würde die Berechnung der Nachlaufströmung 

einer Windenergieanlage mehr 

als 10 17 

Berechnungszellen erfordern – etwa 

das Einmilliardenfache des zurzeit Möglichen. 

In der Praxis formuliert man daher die Navier-Stokes-Gleichungen 

für die zeitlichen 

Mittelwerte der Strömung. Die Fluktuationen 

der Strömung werden ausgeblendet 

bzw. in zusätzliche mathematische Terme 

verschoben, die Reynolds-Spannungen. 

Man spricht dann von den Reynolds-gemittelten 

Navier-Stokes-Gleichungen (Reynolds 

Averaged Navier-Stokes RANS). Die 

Reynolds-Spannungen stellen zusätzliche 

Unbekannte dar, die über Turbulenzmodelle 

mit bekannten Größen verknüpft werden 

müssen. Aber hierbei werden trotz aufwändiger 

dreidimensionaler Simulation nur 

Mittelwerte und keine Details über die 

räumlichen Schwankungen der turbulenten 

Strömung geliefert. Deshalb ist dies kein 

Weg, um die Lasten auf eine Windenergieanlage 

berechnen zu können. 

LES-Simulation wird populärer 

Einen gangbaren Weg bieten dagegen die 

Large-Eddy-Simulationen (LES). Dabei werden 

die Schwankungen bis zu einer bestimmten 

Wirbelgröße direkt berechnet und 

nur die kleineren Wirbel durch ein Turbulenzmodell 

abgebildet. Befördert wird diese 

Methode durch die Tatsache, dass sich in 

der atmosphärischen Strömung die Energie 

transportierenden Wirbel und die 

Energie vernichtenden Wirbel auf unterschiedliche 

Größenbereiche aufteilen. Die 

entscheidenden, Energie transportierenden 

Wirbel können damit im Modell aufgelöst 

werden. Der Hauptnachteil der Methode 

liegt im größeren Rechenaufwand, der gegenüber 

den RANS-Simulationen etwa um 

den Faktor 1000 steigt. Mit aktuellen Rechnerleistungen 

rücken die LES-Simulationen 

jedoch von der Forschungs- auf die Anwendungsseite. 

Im Jahr 2003 konnten Simulationsmodelle 

im Rahmen eines Forschungsprojektes des 

DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) das 

erste Mal mit hoch aufgelösten Messdaten 

hinter einer Windenergieanlage vom Typ 

Bild 1: Detailansicht der Modellgeometrie mit beispielhaften Pfadlinien der Strömung. 

ENERCON E-66 mit 65 Meter Nabenhöhe 

verglichen werden [1]. Seitdem wurde das 

Modell immer weiter verbessert [2]. In den 

aktuellen Modellen wurden zwei Windenergieanlagen 

im Abstand von 4,25 Rotordurchmessern 

sowie eine Einzelanlage desselben 

Typs modelliert, wobei die Simulationssoftware 

FLUENT 12 der Firma ANSYS 

zum Einsatz kommt. 

Das Modell bildet die komplette Geometrie 

der Windenergieanlagen einschließlich der 

aerodynamischen Blattprofile [3] ab. Der 

Rotor wurde mit konstanter Drehzahl, passend 

zur betrachteten Windgeschwindigkeit, 

gedreht. Die Blätter sind ebenfalls drehbar, 

wurden aber im betrachteten Zeitraum 

mit konstantem Pitchwinkel gefahren. Für 

die Anströmung wurde ein dreidimensionales, 

voll turbulentes Windfeld nach von- 

Karman verwendet, das die Anforderungen 

der DIBt-Richtlinie an die Windfeldmodellierung 

für die Lastberechnung von Windenergieanlagen 

erfüllt. An etwa 50.000 

Messpunkten im Nachlauf wurden jeweils 

die Windgeschwindigkeitskomponenten in 

den drei Achsenrichtungen aufgezeichnet. 

Bild 1 gibt einen Eindruck von der Modellgeometrie. 

Eine Validierung der Simulationsergebnisse 

erfolgte mit den Messungen 

im Abstand des 2,06-fachen Rotordurchmessers 

hinter der Windenergieanlage 

aus [1]. Dabei wurden die bei 10 m/s mittlerer 

Windgeschwindigkeit auf Nabenhöhe 

durchgeführte Simulation mit Messergebnissen 

im Bereich 8 bis 12 m/s verglichen. 

Bild 2 zeigt den Vergleich der ermittelten 

Werte der Simulation über einen Zeitraum 


von fünf Minuten mit den 10-Minuten- 

Mittelwerten aus den Messungen. Man 

erkennt, dass das Niveau und auch die 

unsymmetrische Verteilung der Turbulenzintensität 

im Nachlauf voll getroffen 

werden. Die Breite des Nachlaufs ist im Vergleich 

mit den Messungen etwas zu schmal 

ausgefallen. Dazu ist anzumerken, dass die 

Messungen naturgemäß einen wesentlich 

breiteren Bereich von Strömungsbedingungen 

abdecken. Darüber hinaus ist nicht 

klar, inwieweit das verwendete Windmodell 

nach von-Karman die Realität der Anströmung 

trifft. Es ist offensichtlich, dass 

stärkere Richtungsschwankungen in der 

Anströmung auch zu einer größeren 

Aufweitung des Nachlaufs führen. 

Anwendung heute und morgen 

Wie anfangs beschrieben wurden die momentan 

verwendeten Modelle zur Bewertung 

von Parkkonfigurationen nur für den 

Fernbereich der Nachlaufströmung entwickelt. 

Sie extrapolieren dessen Verhalten 

in den Nahbereich mit der Folge, dass die 

so ermittelten Lasten immer weiter und exponentiell 

ansteigen. Die Simulationen deuten 

allerdings daraufhin, dass diesem Anstieg 

in der Realität Grenzen gesetzt sind. 

Wo diese tatsächlich liegen, ist für die immer 

weiter verdichteten Windparks in 

Deutschland eine wichtige Fragestellung, 

denn die Turbulenz wird zunehmend das 

Nadelöhr der Windparkplanung. Das Werkzeug 

zum Lösen dieser Fragestellung liefern 

die LES-Simulationen. 

Angewendet werden diese Strömungssimulationen 

bereits jetzt für Windenergieanlagen 

in komplexem Gelände, wie im Ge- 


19


Bild 2: Lokale Turbulenzintensität auf Nabenhöhe 2,06 Rotordurchmesser hinter der Windenergieanlage. Vergleich von 10-Minuten-Mittelwerten 

aus Messungen bei 8 bis 12 m/s Anströmgeschwindigkeit (rote Punkte) mit 5-Minuten-Mittelwerten der Simulation 

bei 10 m/s Anströmgeschwindigkeit (blaue Linie). 

birge oder an Geländekanten, wo besondere 

Effekte auftreten. Es kommt zu Wirbelablösungen, 

Schräganströmungen und verzerrten 

Höhenprofilen der Windgeschwindigkeit. 

Dadurch wird die Windenergieanlage 

unter Umständen extrem belastet. 

Dreidimensionale Simulationen können 

solche Probleme schon während der Pla- 

nungsphase aufdecken und Aussagen zu 

Linearelastische Bruchmechanik 

mit ANSYS Workbench 

Die REpower Systems AG zählt zu den 

führenden Herstellern von Windenergieanlagen. 

Neben der Entwicklung, Produktion 

und dem Vertrieb von technologisch 

anspruchsvollen und zuverlässigen Onshore- 

und Offshore-Windenergieanlagen 

bietet REpower intelligente und professionelle 

Dienstleistungen wie umfassende 

Wartungs- und Servicepakete. Durch die 

Präsenz an den entscheidenden Stationen 

der Wertschöpfungskette verfügt REpower 

über Gesamtkompetenz in der Windenergie. 

So steht der Name REpower für 

ein erfolgreiches Unternehmen, das nicht 

nur ökologisch, sondern vor allem auch 

ökonomisch überzeugt. 

Die numerische Simulation hat bei REpower 

von Anfang an einen festen Platz in der 

Produktentwicklung. Durchgeführt werden 

Simulationen, u.a. mit ANSYS, vom eigenen 

hochspezialisierten Team aus Berechnungsingenieuren 

oder in Kooperation mit 

externen Partnern wie CADFEM. 

In einem solchen Projekt aus dem Bereich 

der Bruchmechanik sollten die Spannungsintensitätsfaktoren 

an einem Getriebebauteil 

bestimmt werden. Für einen 

Übergangsradius sollte eine bruchmechanische 

Bewertung zur Abschätzung der 

Sprödbruchsicherheit unter Kaltklimabe- 

dingungen durchgeführt werden. Als Rissgeometrie 

wurde ein halbelliptischer Oberflächenriss 

angenommen (Bild 1). 

In der Literatur sind dafür analytische 

Lösungen zu finden. Die begrenzte Geometrievielfalt, 

für die analytische Lösungen 

verfügbar sind, mag noch ein hinnehmbarer 

Nachteil sein, jedoch liefern die 

analytischen Modelle oft nur Ergebnisse 

für KI Mode I-Belastungen. Eine Vernachlässigung 

von KII und KIII kann allerdings 

leicht zu einer signifikanten Fehlbewertung 

eines Anrisses führen. 

ANSYS stellt unter anderem auch eine 

Reihe von Werkzeugen zur Bestimmung 

von bruchmechanischen Kennwerten zur 

Verfügung. In der Version ANSYS 12 wurde 

ein neues Verfahren integriert, mit dem die 

Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte 

in Verbindung mit der ANSYS Workbench-Umgebung 

sehr komfortabel möglich 

ist. 

Im vorliegenden Fall wurde zunächst das 

Bauteil ohne Riss berechnet. Unter Annahme 

eines kleinen Risses wurde in einem 

zweiten Schritt der hoch beanspruchte Bereich 

der Übergangsrundung in einem Submodell 

mit Anriss untersucht. (Bild 2) Die 

Geometrie des Submodells wurde dabei 


Im Rahmen der Risikobewertung von Getriebebauteilen unter Kaltklimaeinsatz hat die REpower Systems AG 

CADFEM damit beauftragt, die Spannungsintensitätsfaktoren zur Beurteilung der Sicherheit gegen Sprödbruch 

auf dem Wege der FEM-Simulation mit ANSYS Workbench zu ermitteln. Im Vergleich zu der konventionellen 

analytischen Vorgehensweise konnten damit potenzielle Fehlerquellen für eine Fehlbewertung 

vermieden werden. 

Bild 1: Halbelliptischer Oberflächenanriss Bild 2: Spannungsfeld um den modellierten Riss Bild 3: Verlauf der Spannungsintensitätsfaktoren entlang der 

Rissfront 

parametrisch aufgebaut, so dass leicht 

unterschiedliche Rissgrößen und Risslagen 

untersucht werden konnten. 

Als Ergebnis wurden die Verläufe der Spannungs-Intensitätsfaktoren 

KI, KII und KIII 

ausgegeben. 

Da für die beschrieben Problemstellung keine 

analytischen Ansätze für die Mode II 

und III-Belastung verfügbar sind, konnten 

durch die FEM-Simulation mit ANSYS potenzielle 

Quellen für eine Fehlbewertung 

des Anrisses umgangen werden. 

Dabei zeigte die FEM-Simulation, dass die 

Spannungsintensitäten aller Moden in gleicher 

Größenordnung liegen (Bild 3). Der 

angesetzte Riss konnte damit in seiner Wir- 


Trotz Gewichtsreduktion eine hohe Lebensdauer 

Im „Silicon Valley“ der Offshore-Windindustrie in Bremerhaven sitzt einer der führenden Windenergieanlagenhersteller 

der Offshore-Multimegawattklasse: AREVA Wind. Mit der richtungweisenden Kompaktbauweise 

ist die Windenergieanlage Multibrid M5000 speziell auf die Bedingungen auf hoher See zugeschnitten. 

Ein besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung der Anlage auf das Gewicht gerichtet. Mit 

einer Gondelmasse von 234 Tonnen ist sie das Leichtgewicht unter den Offshore-Anlagen, wobei Betriebsfestigkeitsberechnungen 

mit ANSYS nCode DesignLife einen wesentlichen Anteil an der Gewichtsreduktion 

haben. 

Bild 1: Multibrid M5000 – Erste Offshore-Windenergieanlage 

in der deutschen Nordsee 

Hauptsächlicher Vorteil einer leichten und 

kompakten Bauweise sind deutlich vereinfachte 

Transport- und Hebeprozesse, die 

für eine schnelle Errichtung der Windenergieanlage 

auf See essentiell sind. Die 

komplett ausgestattete Gondel wird in 

einem Hub auf den Turmkopf gehoben. 

Darüber hinaus lässt sich mit einem gerin- 


geren Gondel- und Rotorgewicht die Gründungsstruktur 

wirtschaftlicher herstellen. 

Insbesondere die schweren Gussbauteile 

Rotornabe, Hohlwelle und Maschinenträger 

werden mit ANSYS nCode DesignLife 

optimiert. 

Berechnungsteam 

Es lohnt sich also, dass Gewicht der Anlage 

zu reduzieren. Eine eigene Lastabteilung 

ist bei AREVA Wind daher ausschließlich 

damit beschäftigt, die vielfältigen 

Einwirkungen auf die Offshore-Windenergieanlage 

genau zu ermitteln. Die Finite-Elemente-Berechnungsgruppe 

optimiert 

die Bauteile und legt sie für eine Lebensdauer 

von 20 Jahren aus. Aufgrund der 

komplexen Einwirkungen aus Wind, Eigengewicht 

und Massenträgheitskräften, die 

zu Schwingspielzahlen von bis zu 10 9 

führen, 

wird die Betriebsfestigkeit zum Schlüsselfaktor 

für die wirtschaftliche Auslegung 

der Anlagenkomponenten. Nicht umsonst 

spricht Erich Hau, Autor des Standardwerkes 

„Windkraftanlagen“, davon, dass 

Windkraftanlagen die perfekten „Materialermüdungsmaschinen“ 

sind. Ohne die rasante 

Entwicklung von leistungsfähiger 

Software, die mit der steigenden Rechnerleistung 

einhergeht, wäre eine Auslegung 

auf Betriebsfestigkeit schwer möglich. 

Ebenfalls rasant erfolgte der Aufbau der 

Berechnungsgruppe bei AREVA Wind. In 

nur zwei Jahren wurde das nötige Knowhow 

zur Berechnung dieser komplexen 

Bauteile erworben. Dank der leistungsfähigen 

Software und der kompetenten 

Hilfestellung durch den CADFEM-Support 

ist AREVA Wind gut aufgestellt, zum einen 

um das Tagesgeschäft zu bewerkstelligen 

und zum anderen um Neuentwicklungen 

sicher und kostengünstig durchzuführen. 

Bild 2: Ergebnisimport eines Einheitslastfalls 

Aufwändige Testphase 

Bevor die Entscheidung zum Einsatz von 

ANSYS nCode DesignLife gefällt wurde, 

sind Vergleichsberechnungen mit verschiedenen 

Softwarelösungen durchgeführt 

worden. Dabei ergaben sich für die 

ermittelten Schädigungen der Bauteile 

durchaus vergleichbare Ergebnisse. Jedoch 

hatte die Bearbeitung mit ANSYS nCode 

DesignLife entscheidende Vorteile gegenüber 

vergleichbaren Programmen. 

Durch die Integration in ANSYS Workbench 

zählen dazu die intuitive Oberfläche 

und Programmstruktur, die die Arbeit erleichtern, 

zum einen durch ihre Übersichtlichkeit 

und zum anderen durch eine 

klare Trennung der Berechnungsschritte. 

Das aus der Literatur bekannte Ablaufschema 

mittels Flussdiagramm ist nahezu 

eins zu eins umgesetzt worden. Die Daten 

können aus ANSYS Workbench in ANSYS 

nCode DesignLife sehr einfach übertragen 

werden. Dabei lassen sich aus der ANSYS- 

Ergebnisdatei der Spannungstensor und 

die Geometrie problemlos auslesen. 

Leistungsstarke Tools 

Für die Bauteilauslegung werden mehrere 

hundert Lastzeitreihen ermittelt, deren Ursache 

sowohl aus deterministischen, als

auch stochastischen Einwirkungen resultiert. 

Die Verarbeitung in ANSYS nCode 

DesignLife erfolgt für die mehrere Hundert 

Lastzeitreihen mit jeweils einer Dauer 

von 600 Sekunden bei einer Abtastrate von 

20 Hz. Die Zeitreihen werden in das programminterne 

Lastzeitreihenformat umgewandelt 

und anschließend lassen sich 

die Lastzeitreihen – unter Berücksichtigung 

der Häufigkeit ihres Auftretens – in ein 

„Lastkollektiv“ zusammenfassen. Hierbei 

sind mehrkanalig synchron aufgezeichnete 

nichtproportionale Lastabläufe verarbeitbar. 

Zur Verkürzung der Rechenzeit können 

in einem ersten Berechnungsschritt die 

Lastzeitreihen eingekürzt werden, wobei 

kleine Schwingungen und Zeitabschnitte, 

die kaum zur Schädigung beitragen, herausgefiltert 

werden. Mit diesen eingekürzten 

Lastzeitreihen werden die Hot- 

Spots ermittelt. Eine Aussage über die Schädigung 

erfolgt danach über einen zweiten 

Berechnungsschritt, in dem die ungekürzten 

Lastzeitreihen verwendet werden. Dieses 

Verfahren lässt sich auch für mehrkanalige, 

nicht synchron berechnete Lastzeitreihen 

verwenden. 

Ferner erlaubt das Programm die Mittelspannungskorrektur 

nach der FKM-Richtlinie 

und die Anpassung der Mittelspannungsempfindlichkeit. 

Über den Proportionalitätsfaktor wird 

abgeschätzt, ob eine mehrachsige Beanspruchung 

vorliegt. Für den Fall der 

einachsigen Beanspruchung erfolgt die Berechnung 

der Vergleichsspannung mit dem 

Vorzeichen der absolut größten Hauptspannung. 

Die Berechnung der Vergleichsspannung 

von multiaxialen Spannungszuständen 

wird mit dem Verfahren der kri- 

tischen Schnittebene durchgeführt. Die 

mehrachsigen Beanspruchungen resultieren 

sowohl aus den geometrischen Verhältnissen 

(Kerben) des Bauteils, als auch 

durch nichtproportionale Lastzeitreihen. Da 

davon ausgegangen wird, dass sich ein Riss 

an der Oberfläche des Bauteils ausbildet, 

genügt eine FE-Berechnung der Oberflächenknoten. 

Bild 3: Hunderte Lastzeitreihen werden verarbeitet Bild 4: Darstellung der Wöhlerlinie 

Über Rainflow-Zählung 

zur Lebensdauer 

Zur Schadensakkumulation werden die 

Spannungszeitreihen zuvor per Rainflow- 

Zählung klassiert. Die Klasseneinteilung der 

Zählung erfolgt mit den in der Praxis üblichen 

Matrizen mit 64x64 Elementen. Für 

die Schädigungsberechnung wird die lineare 

Schadensakkumulation nach Palmgren 

und Miner genutzt. Der Grundgedanke dieser 

Methode ist, dass jede Schwingung eine 

Schädigung im Bauteil bewirkt. Aufsummiert 

ergibt sich für eine Lebensdauer von 

20 Jahren ein Gesamtschädigung D, die 

nicht größer als eins werden darf. 

Fazit 

Bedingt durch ihre große elastische Nachgiebigkeit 

sind Windenergieanlagen durch 

den böigen Wind und die rotierenden 

Massen großen dynamischen Einwirkungen 

ausgesetzt. Aufgrund der Größe der 

Bauteile können aber keine Versuche am 

kompletten Bauteil durchgeführt werden. 

Maßgebend für die Dimensionierung der 

Bauteile ist häufig die Auslegung auf 

Betriebsfestigkeit. Folglich wird eine Abschätzung 

der Betriebsfestigkeit auf 

Basis von Simulationen durchgeführt und 

bei AREVA Wind hierzu ANSYS nCode 

DesignLife eingesetzt. 


Nach einem Jahr mit positiven Erfahrungen 

bezüglich ANSYS nCode DesignLife 

zieht das Berechnungsteam folgendes Fazit: 

Die Software amortisiert sich schnell, da 

potenzielle Anrissstellen korrekt vorhergesagt 

werden, denn das Betriebsverhalten 

an Prototypanlagen bestätigen die Rechenergebnisse. 

Außerdem konnte die Entwicklungskette 

CAD – FEM – Betriebsfestigkeit 

durch die Integration der Betriebsfestigkeit 

in die ANSYS Workbench ge- 

Bild 5: Berechnete Lebensdauer des Maschinengehäuses 

schlossen werden. Aufwändige Datenübergaben 

von Programm zu Programm 

gehören damit der Vergangenheit an. 

Zukunftsweisende Projekte, beispielsweise 

schwimmende Windenergieanlagen, 

können somit in kürzerer Zeit entwickelt 

und bewertet werden. 


Abbildung des gesamten Energienetzes einer Windenergieanlage mit ANSYS 

Simulation mit System 

Das elektrische System einer Windkraftanlage beinhaltet alle Komponenten zur mechanisch-elektrischen 

Energiewandlung. Sie stellt neben dem Rotor und dem mechanischen Antriebstrang die dritte wesentliche 

Funktionsgruppe einer Windenergieanlage dar. ANSYS stellt auch dafür sehr effiziente Simulationswerkzeuge 

zur Verfügung. 

Die wichtigste Komponente innerhalb der 

gesamten Wirkungskette des elektrischen 

Systems ist der Generator, der die Energie 

erzeugt. Mit den Komponenten zur Energieumformung 

(Umrichter, Transformatoren, 

Kondensatoren, Drosselspulen) und 

zur Energieweiterleitung (Kabel, Freileitungen) 

bildet er den elektrischen Teil einer 

Windenergieanlage. 

Bild 1: Der elektrische Teil einer Windenergieanlage 

Die große Herausforderung des Entwicklungsingenieurs 

besteht darin, die einzelnen 

Komponenten, die zudem meist von 

unterschiedlichen Herstellern stammen, 

akkurat aufeinander abzustimmen und zu 

einem effizienten Gesamtsystem zusammenzufügen. 

Systemsimulation 

Um komplexe heterogene Systeme, die mit 

dem Anspruch höchster Effizienz entwickelt 

werden, überhaupt beherrschbar zu machen, 

führt kaum noch ein Weg an hochmodernen 

Simulationswerkzeugen vorbei. 

ANSYS stellt für Entwicklungsingenieure, 

die sich mit derartigen Systemen beschäftigen, 

ein Set an spezifischen Lösungen bereit. 

Herzstück ist dabei das Programm 

Simplorer, der Systemsimulator von ANSYS. 

Mit Simplorer wird ein komplexes System 

zunächst komplett aus analytischen Modellen 

aufgebaut. Darauf aufsetzend können 

alle Komponenten anhand detaillierter 

FEM-Modelle mit den verschiedenen 

ANSYS Produkten analysiert, optimiert und 

mit den entsprechenden Eigenschaften in 

Simplorer und damit in das Gesamtsystem 

eingebunden werden. 


Neben der Zusammenführung der Komponenten 

gibt es eine Vielzahl weiterer, für 

die Entwicklung elektrischer Systeme relevanter 

Anwendungen, die aufgrund ihrer 

Komplexität ebenfalls praktisch nur noch 

per Simulation zu bewältigen sind. Dazu 

gehören die Gestaltung der Netzankopplung, 

die Einbindung der Leistungsregelung 

gemäß vorhandener Drehzahlkennli- 

nien unter Berücksichtigung der zulässigen 

Leistungs- und Spannungsschwankungen 

oder auch die Unterdrückung von Oberwellen. 

Eine Prüfung kritischer Betriebszustände 

wie ein generatornaher oder -ferner 

Kurzschluss, zulässige thermische Belastungen 

oder die Auslegung von Netzen 

gegen Kurzschlusswirkungen setzen gleichfalls 

spezifische Simulationstools voraus. 

Für die Analyse der elektrischen Komponenten 

von Windenergieanlagen kommen 

neben Simplorer insbesondere folgende 

Lösungen zum Einsatz: 

• Maxwell 2D und Maxwell 3D: 

FE-Simulation des Generators 

• RMxprt: Analytische Generatorberechnung 

und Erzeugung eines in 

Maxwell direkt simulationsfähigen 

Generator-Designs (2D und 3D) 

• Q3D- Extractor: Analyse parasitärer 

Einflüsse in und zwischen Kabeln 

Analyse von System 

und Komponenten 

Ein – zusätzlicher – Mehrwert dieser Tools 

liegt darin, dass sie neben der Standalone 

Nutzung auch nahtlos mit den struktur- 

mechanischen ANSYS Simulationswerkzeugen 

gekoppelt werden können. 

Beispiele: Die Analyse der thermischen Belastung 

der verschiedenen Elemente des 

elektrischen Netzes erfolgt durch das unmittelbare 

Zusammenspiel der FEM-Simulation 

in Maxwell 3D mit ANSYS Mechanical. 

Genauso ist die Rückkopplung der temperaturabhängigen 

elektrischen Parameter 

nach Maxwell möglich. Die sich daraus 

ergebenden Verformungen sind wiederum 

mit dem Programmpaket ANSYS Mechanical 

simulierbar. Die Stromkräfte zwischen 

den Leiterschienen und die damit einhergehende 

Verformungen können ebenfalls 

mit der Kombination Maxwell 3D und 

ANSYS Mechanical ermittelt werden. 

Anwendungsbeispiele 

aus der Windenergie 

Generator: 

In Windenergieanlagen werden verschiedene 

Generatorarten eingesetzt. Üblich 

sind Asynchrongeneratoren mit Kurzschlussläufer, 

doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren, 

Synchrongeneratoren mit 

elektrischer Erregung und Synchrongeneratoren 

mit Permanentmagneterregung. 

Die Leistungsfähigkeit all dieser Generatoren 

kann unterschiedlich analysiert und optimiert 

werden: 

1.) Mit dem Schaltungssimulator 

Simplorer: 

Das Generatormodell wird als reines 

elektrisches Ersatzschaltbild simuliert, 

ohne geometriebezogene mechanische 

und elektrische Differenzialgleichungen. 

2.) Mit dem Analytik-Tool RMxprt: 

Hier wird das Generatormodell zunächst 

mit Geometrie- und Materialdaten 

in RMxprt eingegeben und 

anschließend als parametrisiertes

Bild 2: Doppelt gespeister Asynchrongenerator mit Umrichter und Regelung in Simplorer 

Ersatzschaltbild nach Simplorer exportiert. 

3.) Mit dem FEM-Programm Maxwell 2D 

oder Maxwell 3D: 

Das Generatormodell kann aus 

RMxprt automatisch in Maxwell 2D 

oder 3D erzeugt werden. Auch von 

hier ist der Export des Modells nach 

Simplorer möglich. 

4.) Mit einer transienten Kopplung von 

Simplorer mit Maxwell: 

Diese erlaubt u.a. die Berücksichtigung 

von Wirbelströmen im Generator, die 

durch die Schaltvorgänge im Umrichter 

hervorgerufen werden. 

Umrichter: 

Sowohl die Wandlung von Dreh- in Gleichstrom 

(Gleichrichter) als auch von Gleichin 

Drehstrom in definierter Frequenz 

(Wechselrichter) ist in Windenergieanlagen 

relevant. 

Die dabei gängigen leistungselektronischen 

Halbleiterschalter IGBT (Insulated Gate 

Bipolar Transistor), GTO (gate-turn-off 

Thyristor) und Thyristoren sind in Simplorer 

Bild 3: Simulation eines 3-Phasen Kabels in Q3D und Einbindung in Simplorer 

in unterschiedlichen Detallierungsgraden 

verfügbar. 

In der einfachen Variante stellen diese 

Halbleiterventile kennliniengesteuerte Schalter 

dar. Für genauere Untersuchungen des 

Schaltverhaltens bietet Simplorer detailliertere 

Modelle. Spice-Modelle dieser 

Halbleiterventile sind direkt verwendbar. 

Das IGBT-Parametrisierungstool erlaubt, 

ausgehend vom Datenblatt des speziellen 

IGBT-Typs die Erzeugung des zugehörigen 

IGBT-Modells und dessen Anwendung in 

Simplorer. 

Die Ansteuerung der Gleich- und Wechselrichterschaltungen 

mit den Halbleiterventilen 

erfolgt in Simplorer über Zustandsgraphen, 

die aus sogenannten Zuständen 

(in denen die Steuersignale der Ventile definiert 

werden) und den diese verbindenden 

Transitionen (Bedingungen für die Änderung 

der Steuersignale) bestehen. 

Transformatoren: 

Simplorer ermöglicht die Simulation verschiedener 

Transformatormodelle als Er- 


satzschaltbild. Detailliertere Untersuchungen 

und eine Kopplung mit Simplorer sind 

mit Maxwell 2D und 3D möglich. 

Kabel: 

Mit dem ANSYS-Tool Q3D Extractor kann 

aus der 3D-Kabelgeometrie sehr schnell ein 

parametrisiertes Ersatzschaltbild generiert 

werden, welches nach Simplorer exportiert 

und dort weiter beschaltet werden kann. 

Der Vorteil einer solchen Vorgehensweise 

besteht in der damit möglichen Analyse von 

Wanderwellen, Überspannungen und den 

damit verbundenen parasitären Effekten. 

Regler: 

Simplorer bietet die Möglichkeit, direkt auf 

dem Simulationssheet Regler abzubilden 

und diese mit der elektrischen Schaltung 

zu koppeln. 

Bild 4: Regelschema für einen doppeltgespeisten Generator 

(Quelle: M. Geyler, P. Caselitz: Regelung von drehzahlvariablen 

Windenergieanlagen at 12/2008) 

Zusammenfassend kann festgestellt werden, 

dass der Systemsimulator Simplorer 

in Verbindung mit den anderen ANSYS 

Tools ANSYS RMxprt, Maxwell und Q3D 

sehr gut für die Simulation eines Windenergieanlagen-Netzes 

geeignet ist. Dabei 

besteht der besondere Vorteil darin, dass 

bei Notwendigkeit an beliebigen Stellen 

eine sehr detaillierte Simulation durch Nutzung 

der strukturmechanischen ANSYS Programmpakete 

möglich ist und deren Ergeb- 


Vorhersage der hydro-akustischen 

Lärmentwicklung bei der Offshore-Pfahlgründung: 

Stillerer Ozean 

Das Rauschen der Wellen ist bei Weitem nicht das einzige Geräusch, das die Weltmeere beherrscht. Speziell 

unter der Wasseroberfläche sind die Ozeane an vielen Stellen einer großen Zahl an Lärmquellen ausgesetzt, 

die nur zum Teil natürlichen Ursprungs sind. Gerade der Umfang und das Ausmaß des Lärms, der vom Mensch 

verursacht wird, beispielsweise durch Schiffsverkehr, Bohrungen, Sprengungen oder Sonargeräte, hat in den 

letzten Jahrzehnten massiv zugenommen. Auch die wachsende Zahl an Offshore-Windenergieanlagen trägt 

insbesondere bei der Errichtung dazu bei. 

Fundamental: 

Solide Pfahlgründung 

Für die Verankerung neuer Offshore-Windenergieanlagen 

werden mächtige Stahlpfähle 

mit Hilfe von hydraulischen Rammhämmern 

in den Meeresboden gerammt. 

Mit ihrer langjährigen Erfahrung bei der 


Entwicklung, Herstellung und Anwendung 

solcher Spezialrammhämmer, die in Meerestiefen 

von 2.000 und mehr Metern eingesetzt 

werden, gehört die MENCK GmbH 

aus Kaltenkirchen in Schleswig-Holstein zu 

den weltweit führenden Anbietern in 

diesem Bereich. 

Die hohe Lärmentwicklung, die mit dem 

Einsatz einhergeht, ist für diese Branche 

ein noch nicht zufriedenstellend gelöstes 

Problem, weshalb die Entwicklung geeigneter 

Lärmschutzsysteme hohe Priorität 

genießt. Ziel ist es, die hydroakustischen 

Phänomene, die durch eine Pfahlgründung

auf hoher See ausgelöst werden, im Vorfeld 

zu ermitteln. Die gewonnenen Informationen 

helfen dann bei der Auswahl und 

Durchführung von Lärmschutzmaßnahmen 

zur Erfüllung der strengen Auflagen hinsichtlich 

der Lärmemissionen. 

Numerische Simulation 

des Schallfeldes 

Vor diesem Hintergrund ist ein gemeinsames 

Projekt von MENCK und CADFEM entstanden 

mit dem Ziel, den Schallerzeugungs- 

und Schallausbreitungsvorgang 

bei der Pfahlgründung mit ANSYS numerisch 

zu simulieren. Ausgangspunkt dafür 

war eine transiente strukturmechanische 

Analyse des Hammerschlags, um die mechanischen 

Eigenschaften hochgradig belasteter 

Hammerkomponenten zu untersuchen. 

Der Ansatz des Ingenieurteams 

war, diese Simulationstechnik so zu erweitern, 

dass auch das Schallfeld aufgrund der 

Pfahlvibration im Wasser berücksichtigt 

wird. Dabei wurden die in ANSYS 

Mechanical verfügbaren Akustikelemente 

FLUID29 verwendet. 

Die Simulation berücksichtigte Fallkörper, 

Schlaghaube, Follower, Pfahl, Meeresboden 

und Wasser, wobei der akustisch relevante 

Wasserbereich im Nahfeld mittels Fluid- 

Struktur-Interaktion (FSI) mit den strukturmechanischen 

Elementen des Pfahls gekoppelt 

wurde. Das Team gab die bekannte 

Anfangsgeschwindigkeit des Fallkörpers 

vor, wobei für alle anderen Komponenten 

Axialsymmetrisches 2D Simulationsmodell 

in ANSYS Workbench 

eine Ruhelage als Anfangsbedingung angenommen 

wurde. Für die Akustik wurde 

ferner an den seitlichen Außenflächen des 

vernetzten Wassergebietes eine geeignete 

nicht-reflektierende Randbedingung 

gewählt, während die elastische Nachgiebigkeit 

des Meeresbodens über Federelemente 

am Pfahl abgebildet wurde. 

Als Simulationsumgebung wurde ANSYS 

Workbench genutzt, wobei APDL-Kommandoblöcke 

zur Beschreibung von FSI und 

der akustischen Parameter zum Einsatz 

Akustik-Simulation und ANSYS 

Seit kurzer Zeit haben CADFEM Kunden 

beim Thema Akustiksimulation 

zusätzliche Optionen: Mit ACTRAN 

der Firma FFT ist ein äußerst leistungsfähiges 

Paket für die Vibroakustik und 

die Aeroakustik im Portfolio und mit 

ANSYS Acoustics Structures, das 

gleichwohl auf ACTRAN basiert, steht 

ein Workbench Add-in zur Verfügung, 

der aufsetzend auf strukturmechanische 

ANSYS Berechnungen, schnell 

Aussagen zu klassischen akustischen 

Fragestellungen liefert. 

www.cadfem.de/akustik 


kamen. Auf diese Weise konnte die 

vollständige Zweiwegekopplung der Fluidschwingung 

(Akustik) mit der Strukturdynamik 

mittels ANSYS Mechanical 

modelliert werden, um einerseits den durch 

vibrierende Strukturen ausgelösten, abgestrahlten 

Schall zu erfassen und gleichzeitig 

die zusätzliche Belastung der Struktur 

durch diese Druckschwankungen zu 

berücksichtigen [1]. Die Schallfeldlösung 

aus der FE-Simulation für die unmittelbare 

Umgebung des Pfahls wurde herangezogen, 

um auch den Schalldruck in 

weiterer Entfernung vorherzusagen. Dies 

geschah mittels eines analytischen Schallausbreitungsmodells, 

das, gestützt auf 

Versuchsdaten, auf Basis der simulierten 

Nahfelddaten die Schallausbreitung in das 

Fernfeld als Funktion der Distanz, der 


Wassertiefe und der Meeresgrundeigenschaften 

beschreibt. 

Die numerisch ermittelten Simulationsergebnisse 

wurden anhand der Installation 

des Monopfahls der FINO3 Windenergie- 

Forschungsplattform in der Nordsee validiert 

[2]. Der Vergleich des gemessenen 

und des berechneten Schalldrucks in einer 

Entfernung von 245 Metern vom Pfahl 

zeigte eine gute Korrelation der relevanten 

Amplitude. Da der ermittelte lokale Schalldruck 

im Nahfeld im Vergleich zum hydrostatischen 

Druck aufgrund der hohen 

Pegelwerte relativ hoch ausfiel, sollten zur 

weiteren Steigerung der Genauigkeit der 

Analyse die der linearen Akustik zugrundeliegenden 

Annahmen (Schalldruck sehr 

klein gegenüber dem statischen Umgebungsdruck) 

überprüft werden. Für diese 

Aufgabe könnte eine vollständige FSI 

Analyse mittels Kopplung von ANSYS 

Mechanical und ANSYS CFX ohne die 

typischen Annahmen der linearen Akustik 

angewendet werden. 


Kranauslegung zum Aufbau von Windkrafträdern 

Liebherr ist der führende Hersteller von Fahrzeugkranen. Die Palette der All-Terrain-Mobilkrane reicht vom 

2-achsigen 35 t-Kran bis zum Schwerlastkran mit 1.200 t Traglast und 9-achsigem Fahrgestell. Die Gittermastkrane 

auf Mobil- oder Raupenfahrwerken erreichen Traglasten bis 3.000 t. Damit verfügt Liebherr über 

eine umfangreiche Palette an Kranen, die nahezu alle Bedürfnisse abdecken kann. Mit universellen Auslegersystemen 

und umfangreicher Zusatzausrüstung sind sie auf den Baustellen in der ganzen Welt im Einsatz. 

Die Liebherr-Werk Ehingen GmbH wurde 

im Jahr 1969 gegründet. Um die internationale 

Position als führender Anbieter von 

Mobil- und Raupenkranen zu festigen und 

weiter auszubauen, wurde in den vergangenen 

Jahren eine umfangreiche Betriebserweiterung 

realisiert. Heute verfügt das 


Liebherr-Werk in Ehingen über ein Gesamtareal 

von 840.000 m 2 , davon sind 

200.000 m 2 überdachte Fabrikationsfläche. 

Mit nahezu 3.000 Mitarbeitern werden hier 

die Krane entwickelt, gefertigt und getestet. 

Damit ist das Liebherr-Werk in Ehingen die 

modernste Fahrzeugkran-Fabrik der Welt. 

Bild 1: Raupenkran LR11350 bei der Montage einer 5 MW Anlage. Max. Last: Maschinenhaus 329t mit Hakenhöhe 129 m. 

Montage von Windenergieanlagen 

Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten 

bekannt. Während früher bei 

Windmühlen die mechanische Energie genutzt 

wurde, steht heute die Erzeugung 

elektrischer Energie im Vordergrund. In immer 

größerer Zahl werden Windkraftanlagen 

in allen Regionen der Welt aufgestellt. 

Es entstehen Windparks mit einer großen 

Anzahl von identischen Anlagen, zum Teil 

auch in schwer zugänglichem Gelände oder 

„Offshore“. Die Montage der verschiedensten 

Anlagetypen erfolgt dabei nahezu 

immer mit Mobil- oder Raupenkranen. 

Sie stellen die hohen Traglasten und die erforderlichen 

Hubhöhen zur Verfügung. Die 

Entwicklung immer leistungsstärkerer und 

damit schwererer Windenergieanlagen wird 

vorangetrieben und gleichzeitig nimmt die 

Höhe der Türme zu, auf denen die Anlagen 

betrieben werden. Dies führt zu erheblich 

gesteigerten Anforderungen an die 

Montagekrane. Sowohl große Teleskopkrane 

als auch Gittermastkrane aller Hubklassen 

werden heute für die unterschiedlichen 

Anlagentypen eingesetzt. 

Diesen Entwicklungen begegnet Liebherr 

mit besonderen leistungsoptimierten Krankonzepten 

und neuen Auslegersystemen, 

die auf die Bedürfnisse der Windindustrie 

ausgelegt sind. Bei der Auswahl eines Krantyps 

für die Montage einer spezifischen 

Windkraftanlage spielt neben der Traglast 

und der Hubhöhe auch der Aufwand und 

der Platzbedarf für den Auf- und Abbau 

bzw. das Umsetzen (in Windparks) des 

Montagekranes selbst eine entscheidende 

Rolle. Darauf ist bei der Konzeption von 

„Windkraftkranen“ besonders zu achten 

und hat z.B. zur Entwicklung spezieller Unterwagen 

mit Schmalspurraupe geführt. 

Randbedingungen 

bei der Kranauslegung 

Die Berechnung von Mobil- und Raupen-

krane ist in diversen Normen (EN und ISO) 

geregelt. Darin sind sie als Montagekrane 

eingestuft, so dass die geforderten rein statischen 

Nachweise die Verwendung von 

schweißbaren hochfesten Feinkornbaustählen 

bis zu einer Streckgrenze von 1.100 

N/mm 2 erlauben. Nur durch die Verwendung 

dieser Stähle sind Mobil- und Raupenkrane 

so leistungsfähig. Die Berech- 

nung der Kranausleger muss bei den 

schlanken und langen Systemen der Krane 

durch geometrisch nichtlineare Berechnungen 

erfolgen. Die große Vielfalt der 

Rüstvarianten erfordert dabei eine sehr hohe 

Anzahl von Einzelberechnungen, um 

die maximal mögliche Traglast für jede Auslegerkonfiguration, 

jede Länge und jede 

Ausladung zu ermitteln. Eine spezielle Auslegung 

für Windkraftkrane gibt es nicht, 

alle Krane unterliegen den gleichen Berechnungsgrundlagen 

und gelten für definierte 

Randbedingungen (z.B. zulässige 

Windgeschwindigkeiten). 

FEM-Einsatz bei Liebherr 

Umfangreiche Berechnungen sind seit Beginn 

der Mobil- und Raupenkranentwicklung 

bei Liebherr ein unverzichtbarer 

Bestandteil des Konstruktionsprozesses. Dabei 

spielte auch die Anwendung der Finite- 

Elemente-Methode (FEM) schon frühzeitig 

eine entscheidende Rolle, denn nur mit gewichtsoptimierten 

Strukturen kann ein leistungsfähiger 

Kran entwickelt werden. Seit 

1989 ist ANSYS bei Liebherr das führende 

FEM-Programm-System für die Dimensionierung 

und Optimierung der Bauteile. 

FEM bei der Kranauslegung 

Alle tragenden Bauteile werden mittels FEM 

berechnet und dabei optimiert, denn Leichtbau 

ist gefragt, da zulässige Transportgewichte, 

Abmessungen, Achslasten usw. und 

natürlich optimale Traglasten strenge Randbedingungen 

setzen. Bei der Simulation er- 

folgt eine differenzierte Modellierung für 

die unterschiedlichen Baugruppen des 

Krans. Für Ausleger von Teleskop- und 

Gitterkranen werden zunächst Balkenmodelle 

mit geometrisch nichtlinearem Verhalten 

eingesetzt. Andere Baugruppen wie 

Unterwagen oder Drehbühne oder diverse 

Einzelbauteile oder -baugruppen werden 

mit detaillierten Balken-, Schalen- und/oder 

Solidelementmodellen untersucht. Hier 

kommt ausschließlich ANSYS Workbench 

zum Einsatz, das bei Liebherr schon seit 

mehreren Jahren genutzt wird. 

Die Schweißbaugruppen bestehen zum 

großen Teil aus Blechen unterschiedlicher 

Dicken bei gleichzeitig relativ großen 

Abmessungen. Hier bietet sich besonders 

die Nutzung von Schalenelementen an. 

Ausgehend vom eingesetzten CAD-System 

CoCreate Modeling (von PTC), für das eine 

Direktschnittstelle in ANSYS Workbench 

verfügbar ist, werden alle Geometriedaten 

in ANSYS Workbench DesignModeler aufbereitet. 

Insbesondere die Mittelflächengenerierung 

erfolgt bei Liebherr im Design 

Modeler. Bei der Nutzung von Schalenelementen 

entstehen moderate Modellgrößen, 

so dass auch größere Baugruppen 

zusammen berechnet werden können. 

Schalenelemente ermöglichen zudem in 

der Auslegungsphase eine schnelle Änderung 

der Blechdicken. Die Ermittlung der 

minimalen Blechdicken und die optimale 

Stufung der Bleche ist ein entscheidendes 

Ergebnis der FE-Berechnung. 

Viele dieser Baugruppen sind durch Bolzen 

oder andere Verbindungselemente miteinander 

gekoppelt, oder berühren sich. 

Deshalb gehören Kontakte zu nahezu 

jedem Modell. ANSYS Workbench ermöglicht 

dem Benutzer die Handhabung der 

Kontakte mit geringem Aufwand und bietet 

zusätzlich leicht auswertbare Kontakt- 


informationen. Spezielle Untersuchungen 

mit nichtlinearen Effekten wie große Verformungen 

oder plastisches Material zählen 

ebenso zu den täglich anfallenden Problemstellungen 

im ANSYS-Workbench-Umfeld. 

Damit große Modelle auch effektiv gelöst 

werden können, wurde ein Cluster installiert, 

der unter Verwendung des Remote 

Bild 2: Verformungsuntersuchung an großer Unterwagen Baugruppe Bild 3: Beuluntersuchung am Teleskopausleger Bild 4: Raupenkranunterwagen 

Solver Managers (RSM) und der Parallelsolver-Möglichkeiten 

von ANSYS die Lösung 

im Vergleich zu den lokalen Workstations 

deutlich beschleunigt. Das System 

arbeitet äußerst stabil und wird von den 

Benutzern sehr geschätzt. 

Spezialfall Beulen 

Durch die Verwendung des hochfesten 

Stahls und die hohe statische Ausnutzung 

der Bauteile sind diese häufig beulgefährdet. 

Dies erfordert eine systematische Untersuchung 

der Bauteile auf Beulen. Häufig 

verwendet man hier die allseits bekannte 

Methode, erst eine lineare Beulrechnung 

durchzuführen und dann die imperfekte 

Struktur, gebildet aus den linearen Beul- 

Modes einer nichtlinearen Berechnung mit 

großen Verformungen zu unterwerfen. Für 

diese Anwendung nutzt Liebherr einen von 

CADFEM entwickelten Wizard, der auf 

Workbench-Ebene diese Art der Berechnung 

unterstützt und für den Benutzer 

transparent umsetzt. 


Ins Reich der Mitte & aufs Dach der Welt 

Die CADFEM Mitarbeiter Rosi Jahn, Jens Otto und Jochen Häsemeyer können für sich in Anspruch nehmen, 

die wohl außergewöhnlichste Geschäftsreise bei CADFEM der letzten Jahre unternommen zu haben. Nach 

der „Pflicht“ beim CADFEM-Partner PERA in Shanghai folgte als „Kür“ der Besuch der Kinder im CADFEM-Haus 

im tibetischen Hochland. Ein Reisebericht. 

Am 31. August 2010 begann für drei Mitarbeiter 

der CADFEM GmbH eine nicht gerade 

alltägliche Geschäftsreise: Zur Vertiefung 

der jungen Kooperation von CADFEM 

mit dem chinesischen Unternehmen PERA 

reisten Rosi Jahn aus dem Consulting und 

die Serviceleute Jens Otto und Jochen Häsemeyer 

ins Reich der Mitte, um vor Ort 

Kontakte mit den Kollegen von PERA zu 

knüpfen und zu intensivieren. PERA bietet 

mit seinen rund 400 Mitarbeitern verschiedene 

Ingenieurdienstleistungen an, 

darunter auch den Vertrieb von ANSYS- 

Produkten einschließlich Service und Consulting. 

Die erste Station der Reise war Shanghai, 

die boomende Metropole am Huang-Po. 

Wider Erwarten, denn frühere Shanghai- 

Reisende hatten uns wenig Hoffnung gemacht, 

begrüßte uns diese riesige Stadt mit 

schönstem Wetter: Sonnenschein, bayrischweiß-blauer 

Himmel, eine leichte Brise vom 

Meer und ca. 35°C. Als talentierter Fremdenführer 

entpuppte sich zudem unser 


Freund Bao, der 

während seines 

esocaet-Masterstudiums 

einige Zeit in Grafing verbracht 

hatte, seit seinem Abschluss wieder in 

Shanghai lebt und bei PERA arbeitet und 

uns freundlicherweise vor Ort betreute. 

In den folgenden vier Tagen standen unter 

anderem Kurz-Schulungen der Mitarbeiter 

von PERA auf der Agenda. Speziell den 

neuen ANSYS Produkten wie ANSYS 

Composite PrepPost und ANSYS nCode 

DesignLife galt das Interesse. Weitere Programmpunkte 

bildeten gemeinsame Kundenbesuche 

mit den Ingenieuren von PERA. 

Es wurden z.B. Aufzugbauer und Automobilzulieferer 

besucht, um aktuelle Frage- 

und Aufgabenstellungen zu diskutieren 

und zu überlegen, wie und welche 

ANSYS-Software dort effizient eingesetzt 

werden kann. 

Da eine Reise um die halbe Welt nicht nur 

aus Arbeit bestehen sollte, durften wir die 

tolle Möglichkeit wahrnehmen, einen Abstecher 

hinauf ins tibetische Hochland und 

dort nach Dawu zu machen, um das Waisenhaus-Projekt 

der Tadra-Stiftung zu besuchen, 

das von CADFEM und im Besonderen 

von Firmengründer Günter Müller 

unterstützt wird. Nachdem vor zwei Jahren 

die letzte Delegation von CADFEM-Mitarbeitern 

das Kinderdorf besucht hatte, 

wollten wir sehen, was sich seither getan 

bzw. wie sich das Projekt entwickelt hat. 

Die Anreise nach Dawu erfolgte zunächst 

mit dem Flugzeug bis Chengdu, der Hauptstadt 

der Provinz Sichuan. Von da aus ging 

es weiter mit dem 

Geländewagen nach 

Dawu. Die reine Fahrstrecke 

sind etwas 

mehr als 500 km, allerdings 

gehen davon 

nur die ersten 200 km 

als funktionsfähige 

Straßen im weiteren 

Sinn durch. Auf der restlichen Strecke ließ 

sich dann hautnah erleben, was man in 

China unter einer Großbaustelle zu verstehen 

hat: 300 Kilometer Bauarbeiten am 

Stück. Für die zähe Fahrt wurden wir durch 

den atemberaubenden Anblick vieler sehr 

schöner Täler und bemerkenswerter Pässe 

auf teilweise über 4.000 Höhenmetern entschädigt, 

so dass das langsame Tempo auch 

seine Vorteile hatte und die Fahrt an sich 

kurzweilig blieb. 

Die Ankunft im Kinderdorf der Tadra-Stiftung 

war schließlich – nach Übernachtungen, 

um einige lohnende Sehenswürdigkeiten 

entlang der Strecke zu besuchen – 

am 11. September. Der Empfang im Kinderdorf 

war sehr herzlich, ein langes Spalier 

von Kindern und Jugendlichen erwartete 

uns mit Sprechchören, um uns zu begrüßen 

und Hände zu schütteln. Wir hatten bereits 

vor der Abreise darum gebeten, keinen

Das Tadra-Projekt 

Das Tadra-Projekt wurde am 9. Dezember 

1995 durch Dr. L. Palden 

Tawo, seiner Frau und Herrn Yeshe 

Gonpo Khaser aus der Schweiz 

sowie einigen deutschen Freunden 

ins Leben gerufen. Das Projekt hat 

es sich zum Ziel gesetzt, die verheerende 

Lebenssituation der Waisenund 

Straßenkinder in Osttibet sowie 

das völlig unzulängliche Schul- und 

Gesundheitswesen zu verbessern. 

CADFEM und Günter Müller 

unterstützen das Tadra- 

Projekt seit vielen Jahren. 

www.tadra.de 


großen Aufwand zu betreiben, insofern wollen 

wir gar nicht daran denken, wie ein 

„großer Empfang“ ausgesehen hätte. 

Nach einer kleinen Stärkung und einer kurzen 

Orientierungsphase, wurden wir gefragt, 

ob wir uns an dem Abendprogramm 

der Kinder beteiligen wollen, was wir natürlich 

gerne taten. Dieses bestand aus einem 

gemeinsamen Tanz auf dem Schulhof, was 

für uns zunächst natürlich etwas gewöhnungsbedürftig 

war, aber schließlich großen 

Spaß gemacht hat, zumal keine strenge Disziplin 

gefordert wurde, so dass man sich mit 

den Kindern nebenher unterhalten konnte. 

Wir stellten fest, daß die Kinder und Jugendlichen 

sehr gut englisch sprechen, die 

Lehrer dort machen eine sehr gute Arbeit. 

Der nächste Tag war ein Sonntag. Die Kinder 

hatten frei und auch wir nutzen den 

Tag, um uns noch etwas umzusehen. Wir 

besuchten die Stadt Dawu und weil das 

Wetter sehr schön und die umgebenden 

Berge sehr einladend waren, unternahmen 

wir auch eine kleine Bergwanderung. Aufgrund 

der Höhe – Dawu liegt auf etwa 

3.500 m – war die Runde, obwohl nicht 

besonders ausgiebig, recht anstrengend. 

Den Montagvormittag verbrachten wir damit, 

den Unterricht der Kinder zu besuchen. 

Der Unterricht für die Jüngeren besteht aus 

Chinesisch, Tibetisch, Englisch, dazu Mathematik. 

Tiefen Eindruck hinterließ die Tatsache, 

mit wie wenig Mitteln der Unterricht 

durchgeführt wird. Auf der anderen Seite 

sind aber Einsatzbereitschaft und Motivation 

der Lehrer bewundernswert. 

Um 10 Uhr wurde der Unterricht für eine 

kleine Sonderpause unterbrochen, da es 


an uns war, die aus Chengdu mitgebrachten 

Geschenke an die Kinder, Lehrer, sowie 

die Hausmütter und Hausväter zu verteilen. 

Wir hatten nicht erwartet, so viel 

Freude in den Gesichtern der Kinder zu lesen, 

obwohl wir „nur“ Zahnbürsten, Zahncreme 

und Seife dabei hatten. 

Leider rückte schon sehr bald der Moment 

näher, die Rückreise anzutreten. Der Abschied 

fiel beiden Seiten ausgesprochen 

schwer und man ließ uns nicht ohne das 

Versprechen gehen, bald wieder zu kommen. 

Wir hoffen darauf. 

Wir möchten uns an dieser Stelle recht 

herzlich bei der Geschäftsleitung bedanken, 

die uns diese großartige Chance ge- 

ANSYS 

ANSYS ist heute der größte unabhängige Hersteller von CAE- 

Technologie weltweit und bietet seinen Anwendern leistungsfähige 

Werkzeuge zu praktisch jedem Bereich der Simulationstechnik. 

ANSYS Workbench 

Die Vision von ANSYS wurde durch die ANSYS Workbench-Umgebung 

realisiert. Hierbei handelt es sich nicht einfach um ein Produkt, 

sondern um eine vollständige CAE-Umgebung. Sie integriert 

Programme von ANSYS unter einer einheitlichen Arbeitsoberfläche 

und öffnet die Ankopplung an Software anderer Anbieter. 

Von CAD bis Datenmanagement 

Von der CAD-Anbindung über Modellerstellung, physikalische Berechnung, 

Auswertung, Parametermanagement, Optimierung und 

intelligentes Datenmanagement werden sämtliche Schritte im Simulationsprozess 

mit Hilfe der Workbench definiert und grafisch 

anschaulich verknüpft. Die Datenverwaltung und das Schnittstellenmanagement 

zwischen den Programmen erfolgen automatisiert 

im Hintergrund und geben den Anwender dadurch mehr Zeit für 

seine eigentlichen Aufgaben. Einmal definierte Simulationsprozesse 

beliebiger Komplexität können jederzeit erneut aktiviert und mit 

minimalem Aufwand variiert werden. Natürlich ist ANSYS Workbench 

2.0 auch offen gegenüber Produkten von Drittanbietern. 

Exklusiv in ANSYS 

Workbench-Software und -Technologie sind ein Alleinstellungsmerkmal 

von ANSYS in der CAE-Industrie. Kein anderer Anbieter 

verfügt über einen vergleichbaren Integrationsgrad für derart 

umfassende und leistungsstarke Simulationswerkzeuge. 

Permanente Weiterentwicklung 

ANSYS reinvestiert einen großen Teil der Umsatzerlöse in die Weiterentwicklung 

und den Ausbau der Software. Auf den Seiten 30 bis 

35 stellen wir Ihnen junge Mitglieder der ANSYS Produktfamilie vor. 


CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEM 

CADFEM betreut seit über 25 Jahren die CAE-Technologie von 

ANSYS, Inc. im deutschsprachigen Raum und als ANSYS Competence 

Center FEM Anwender aus Industrie und Forschung mit Software 

von ANSYS und komplementären Produkten. Seminare und 

Anwendersupport, Consulting und Entwicklung sind Dienstleistungen 

von CADFEM für eine optimale Nutzung von CAE. 

Der Name ANSYS steht für unabhängige führende 

Simulationstechnologie für praktisch alle Physiken: 

• Große Anwendungsbreite 

- Implizite und explizite Strukturmechanik 


- Temperaturfelder 

- Elektromagnetik 

- Systemsimulation 

• Umfassende Funktionalität innerhalb jeder Physik 

• Multiphysik: Direkte Kopplungsmöglichkeiten 

• Skalierbarkeit nach individuellen Anforderungen: 

Von konstruktionsnah bis High-End 

• Offenheit und Flexibilität zur vertikalen Integration 

und Kopplung mit anderen CAE-Systemen 

• ANSYS EKM: Verwaltung und Archivierung von 

Simulationsdaten und -prozessen

Neu in ANSYS 13.0 

Geometriemodellierung 

• Verbesserungen im Umgang mit Flächenmodellen 

• Erweiterung von Schnittfunktionen 

Vernetzung 

• Direktes Vernetzungsverfahren in Multi Body Parts 

• Verbesserungen bei der Vernetzung von Schalenmodellen 

Strukturmechanik 

• Neue nichtlineare Materialmodelle 

• Verbesserte Kontakttechnologie (Mortar Contact) 

• Multiframe Restart in ANSYS Workbench 

• Load Transfer und Submodelling in ANSYS Workbench 

• Konvergenzverbesserung durch numerische Stabilisierung 

in ANSYS Workbench 

• Virtual Crack Closure Technique für die Bruchmechanik 

Strukturdynamik 

• Modalbasierte implizite Dynamik in ANSYS Workbench 

• Ausnutzung zyklischer Symmetrie in ANSYS Workbench 

• Linear Perturbation Method 

• Explizite Dynamik 

• Mehrkörperdynamik 

Multiphysics 

• Verallgemeinerte und beschleunigte Last-Mapping 

Routinen in ANSYS Workbench zur Kopplung von Simulationen, 

z.B. für Drücke, Temperaturen, Konvektionen 

• Unterstützung nichtlinearer Materialmodelle der neuen 

Multifeld-Elemente (223/226/227), damit erweiterte 

Einsatzmöglichkeiten z.B. für Punktschweissen 

• Neues hydrostatisches Fluidelement (241/242) 

zur Abbildung von Drucklasten (Contained Fluid) 

• ANSYS Acoustic Structures (FFT ACTRAN) 

Ausführliche Informationen & ANSYS 13.0 Update-Seminare 

www.cadfem.de/ansys13 

ANSYS 

Elektromechanik (EM Desktop) 

• ANSYS Workbench Integration (Datenstruktur) von 

Maxwell, Q3D, RMxprt und Simplorer, damit systemweite 

Design Exploration (Optimierung) und Geometrieanbindung 

über DesignModeler 

• Übertragung von Volumen und Oberflächenkräften aus 

Maxwell nach ANSYS Structural 

• Möglichkeit der bidirektionalen elektromagnetischthermischen 

Kopplung (Maxwell und Q3D) 

• Maxwell Erweiterungen: 

- Multicore Support des Tau-Meshers 

- Beschleunigte Gleichungslösung (transiente Analysen) 

- Visualisierung von Kraftdichten 

- 3D Setup aus RMxprt 


• Simplorer Erweiterungen 

- Unterstützte Co-Simulation von Simplorer und Rigid 

Body Dynamics (RBD) zur Abbildung von Regelungen 

mechanischer Systeme 

- Erweiterte Reduced Order Model Anbindung (MOR, FTI) 

- Verbesserte Fitting Methoden der IGBT Parametrisierung 

- Export von VHD-AMS zu C++ zur Verwendung 

im Simplorer 

- Neuer verbesserter Sparse Matrix Solver 

Thermoelektrik 

• Neues geschichtetes Schalenelement zur thermischmechanischen 

Modellierung von Composite Strukturen 

- Unterstützt homogene Strukturen und Schichtungen 

- Transfer von Wärmeströmen und Wärmequelldichten, 

Konvektion und Strahlung 

Parametrisierung und Optimierung 

• Integration von Microsoft EXCEL in ANSYS Workbench 

• Neue Möglichkeiten beim Design Of Experiments (DOE) 

Scripting und Programmierung 

• Erweiterung von APDL durch APDL Math 

High-Performance-Computing (HPC) 

• Möglichkeiten der Parallelisierung 


33

ANSYS 

ANSYS-Software im Überblick 

ANSYS Strukturmechanik 

Konstruktionsbegleitende, CAD-nahe Berechnung 

ANSYS bietet speziell auf die Anforderungen von Anwendern aus der 

CAD-Konstruktion zugeschnittene Simulationswerkzeuge. Die wesentlichen 

Unterschiede zu den Tools, die von CAD-Anbietern selbst offeriert 

werden, sind: die Nutzung führender ANSYS Simulationstechnologie, 

der damit verbundene nahtlose Übergang zum erweiterten ANSYS 

Simulationsspektrum und die gesicherte und professionelle Anwenderunterstützung 

durch CADFEM. 

• ANSYS DesignSpace 

• ANSYS Professional NLS 

Strukturmechanik 

ANSYS deckt die ganze Bandbreite der anspruchsvollen strukturmechanischen 

FEM-Simulation ab, um so z.B. die Möglichkeiten neuer 

Werkstoffe optimal auszureizen oder Bauteileigenschaften, auch bei 

dynamischer bzw. kurzzeitdynamischer Belastung im Detail zu optimieren. 

Darüber hinaus können Effekte aus der Akustik, der Thermodynamik 

sowie thermisch-elektrische Wechselwirkungen in die Simulation 

einbezogen werden. 

• ANSYS Structural 

• ANSYS Mechanical 

• ANSYS Explicit STR 

Zusatzmodule für strukturmechanische Anwendungen 

• Composites Engineering: ANSYS Composite PrepPost 

• Betriebsfestigkeit: ANSYS nCode DesignLife 

• Mehrkörpersimulation: ANSYS RigidDynamics 

• Multidisziplinäre Optimierung & Robustheitsbewertung: optiSLang 

• Robust Design: ANSYS DesignXplorer 

• Akustik: ANSYS Acoustics Structures 

ANSYS Strömungsmechanik 

Strömung 

ANSYS CFD ist nahtlos in ANSYS Workbench integriert, bietet jedoch 

nach wie vor auch die wichtigsten Werkzeuge (ANSYS CFX, ANSYS 

FLUENT, etc.) als Einzellösungen. ANSYS CFD bietet einen enormen 

Funktionsumfang für anspruchsvolle Strömungssimulationen. 

• ANSYS CFD 

ANSYS Thermisches Management 

Thermisches Management 

ANSYS verfügt über effiziente Speziallösungen für die Kühlungssimulation 

von Leiterplatten, elektronischen Komponenten und Geräten. 

Die Detailanalyse von Bauteilen im Chipgehäuse basierend auf ECAD- 

Daten, ermöglicht eine optimale thermische Konstruktion und die 

Ableitung von Kompaktmodellen. 

• ANSYS Icepak 


ANSYS Multiphysik und gekoppelte Systeme 

Multiphysik 

Der Name ANSYS steht seit Jahren für technologisch führende Werkzeuge 

für die Berechnung des Verhaltens von Bauteilen und Produkten, 

wenn Wechselwirkungen unterschiedlicher technischer Disziplinen 

berücksichtigt werden müssen. Mit diesem einen Programm und unter 

einer einheitlichen Oberfläche können statische, dynamische, thermische, 

strömungsmechanische, akustische und elektromagnetische Effekte 

miteinander kombiniert werden. 

• ANSYS Multiphysics 

Elektromechanik 

Im Bereich elektromagnetischer Feldanalysen bietet ANSYS umfassende 

Lösungen zur detaillierten Beschreibung von Verlusten, Impedanzen, 

Kräften und Momenten. Die Simulationslösungen sind besonders 

etabliert für Anwendungen im Bereich der Energiewandler (z.B. Aktoren, 

Sensoren), der Energieübertragung (Transformatoren) und der Prozesssimulation 

produktionstechnischer Anlagen und Verfahren (z.B. induktives 

Härten, Beschichtungen). Zusammen mit den Expertenlösung 

(RMxprt und PExpert) eignet sich der Feldsimulator Maxwell besonders 

gut für die Auslegung von Elektrischen Maschinen und Elektromagneten. 

Kombiniert mit ANSYS Mechanical werden Thermodynamik und 

Strukturmechanik einbezogen. 

• Maxwell 

• ANSYS Mechancial und Maxwell 

• Q3D 

• RMxprt und PExprt 


Die numerische Beschreibung komplexer Zusammenhänge umfasst 

neben der genauen Betrachtung einzelner Komponenten zunehmend 

auch die Einbindung von Regel- und Steueralgorithmen. So werden 

variable Lastszenarien (Kennfelder) und interdisziplinäre Wechselwirkungen 

genau abgebildet. Neben der zunehmenden geometrischen 

Detailtiefe (CAD-Anbindung) der Simulation bietet gerade die Systembetrachtung 

die Möglichkeit, die Genauigkeit der numerischen Modelle 

weiter zu erhöhen. 

Die Integration von Simplorer in ANSYS Workbench erweitert die 

Anwendung in der Leistungselektronik und der Regelung elektrischer 

Antriebe um zusätzliche interdisziplinäre Kopplungen der Struktur- 

Magnetik-Fluidik-Thermodynamik. Damit ergeben sich unter anderem 

Anwendungen geregelter mechatronischer Systeme (z.B. Hybridantrieb). 

Die von CADFEM implementierte Methode der Ordnungsreduktion 

„MOR for ANSYS“ lieferte präzise und skalierbare FEM-basierte Modelle 

für die echtzeitnahe Systembetrachtung. 

• Maxwell und Simplorer 

• ANSYS Mechanical, MOR for ANSYS und Simplorer 

www.cadfem.de/ansys

ANSYS 

CADFEM: Ihr ANSYS Competence Center FEM 

ANSYS kennenlernen 

Informationstage & Info-Webinare 

Hier lernen Sie ANSYS kennen – und CADFEM gleich 

mit! Kompakt an einem Tag erhalten Interessierte 

einen themenspezifischen Überblick über die 

technischen Möglichkeiten, die Vorgehensweise 

und die Einsatzgebiete von ANSYS oder einem 

anderen Programm. Die Teilnahme ist kostenfrei, 

die Informationen sind technisch ausgerichtet und 

auf den Bedarf der Zielgruppe zugeschnitten. Ein 

fester Bestandteil der Agenda ist die Diskussion 

individueller Fragen 

www.cadfem.de/infotage 


ANSYS bedarfsgerecht mieten 

eCADFEM: FEM-Software „on Demand“ 

eCADFEM ist ein Service, der bedarfsgerecht und 

mit genauer Abrechnung – daher besonders wirtschaftlich 

– die Nutzung vieler CADFEM Simulationsprogramme 

ermöglicht. Alternativ zum Lizenzkauf 

bietet eCADFEM über Internet unmittelbaren 

Zugriff auf ANSYS und weitere FEM-Lösungen. Insbesondere 

wenn Programme nicht regelmäßig genutzt 

werden oder vorhandene Lizenzen temporär 

erweitert werden müssen, gewährleistet eCADFEM 

ein Höchstmaß an Flexibilität und Kostenkontrolle. 

www.eCADFEM.com 

Ihre Ansprechpartner zu ANSYS Software und Dienstleistungen bei CADFEM: 

Deutschland 


Software 

Dr.-Ing. Volker Bäumer 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-51 

E-Mail vbaeumer@cadfem.de 

Seminare 

Thomas Nelson 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-47 

E-Mail tnelson@cadfem.de 

Berechnung im Auftrag 

Dr.-Ing. Marold Moosrainer 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-45 

E-Mail mmoosrainer@cadfem.de 

Oder CAE-Line 

(Freecall) 0800-CADFEM 

(alternativ: 0800-1-22 33 36) 

E-Mail sales@cadfem.de 

Hardware 

Manfred Bayerl 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-39 

E-Mail mbayerl@cadfem.de 

Hardware für ANSYS 

Den passenden Rechner gleich dazu 

Sie möchten aus Ihrer Berechnungssoftware durch 

die richtige Hardwareplattform das Optimum 

herausholen? Auch hier sollten Sie mit CADFEM 

sprechen. CADFEM ist Partner der bekannten Hardwarefirmen, 

wie HP, Fujitsu oder Dell, und kann die 

Anwender herstellerneutral beraten. Kunden profitieren 

von unseren Erfahrungen bei Benchmarks. 

Auch die Preise der Rechner sind attraktiv, betriebsbereite 

Konfiguration & Installation der bestellten 

Programme inklusive. 

www.cadfem.de/hardware 

ANSYS-Support 

Kompetente Anwenderunterstützung 

Wenn Sie mal nicht weiter wissen: Support über 

Telefon, Telefax, E-Mail, Internet, WebEx oder auch 

vor Ort erbringen erfahrene Berechnungsingenieure, 

die mit ANSYS und den anderen CADFEM Softwarelösungen 

bestens vertraut sind. Der CADFEM 

Support ist werktags von 8 – 18 Uhr besetzt. Die 

Hotline-Mitarbeiter haben nicht nur engen Kontakt 

zu den Anwendern, sondern stehen auch in direkter 

Verbindung mit den Entwicklern von ANSYS 

und den anderen Partnern. 

www.cadfem.de/support 

Schweiz 


Software 

Markus Dutly 

Tel. +41 (0) 52-3 68 01-02 

E-Mail markus.dutly@cadfem.ch 

Seminare 

Dr.-Ing. Davide Valtorta 

Tel. +41 (0) 52-3 68 01-01 

E-Mail davide.valtorta@cadfem.ch 


Philipp Huber 

Tel. +41 (0) 52-3 68 01-06 

E-Mail philipp.huber@cadfem.ch 

ANSYS-Training 

Für Einsteiger & Fortgeschrittene 

Software Aus- und Weiterbildung: Das CADFEM 

Schulungsangebot erstreckt sich für alle Produkte 

von Einführungs- bis hin zu Vertiefungsveranstaltungen 

für Experten. Referenten sind Mitarbeiter 

von CADFEM und externe Fachleute, die alle eine 

langjährige Erfahrung mit dem geschulten Programm 

und Anwendungsgebiet mitbringen. 

Seminare werden in den Geschäftsstellen von 

CADFEM sowie auf Wunsch auch firmenspezifisch 

beim Kunden durchgeführt. 

www.cadfem.de/seminare 

ANSYS-Customization 

Individuelle Programmanpassung 

ANSYS kann um kundenindividuelle Lösungen 

erweitert werden. Auch diese programmiertechnischen 

Anpassungen bietet CADFEM an. Bei den 

meisten Projekten geht es um ANSYS Workbench. 

Deshalb wurde ein „Workbench Customization 

Team“ gebildet. Aber auch die Anpassung anderer 

Produkte wie z.B. ANSYS Classic oder LS-DYNA wird 

von den CADFEM Entwicklern abgedeckt. 

www.cadfem.de/consulting 

Österreich 

CADFEM (Austria) GmbH 

Software 

Alexander Dopf 

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-14 

E-Mail alexander.dopf@cadfem.at 

Seminare 

Dr.-Ing. Bernhard Hößl 

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-11 

E-Mail bernhard.hoessl@cadfem.at 


Christoph Schlegel 

Tel. +43 (0)1-5 87 70 73-12 

E-Mail christoph.schlegel@cadfem.at 


35

ANSYS 

Komplementäre CAE-Software zu ANSYS 

Standalone oder in ANSYS integriert 

Explizite Strukturmechanik 

Optimierung/Robustheit 

Materialdesign 

Lackierprozesse 

VirtualPaintShop ® 

Biomechanik 

Akustik 

Differentialgleichungen 

Blechumformung 

Komplementäres, softwareneutrales 

Seminarprogramm 


LS-DYNA mit LS-OPT und LS-PrePost stehen insbesondere für Simulationsanwendungen 

in den Bereichen Crash und Metallumformung. 

www.cadfem.de/ls-dyna 

optiSLang ist eine Software für die parametrische Sensitivitätsanalyse, multidisziplinäre 

Optimierung, Zuverlässigkeits- und Robustheitsbewertung sowie für die Robust Design 

Optimierung. 

www.dynardo.de 

Digimat ist als eigenständiges virtuelles Materiallabor einsetzbar, als Materialschnittstelle 

in strukturmechanischen Rechnungen mit ANSYS und LS-DYNA oder als vollständiges 

Interface zwischen Spritzgusssimulation und Strukturmechanik. 

www.cadfem.de/materialdesign 

VirtualPaintShop (VPS), ursprünglich von CADFEM für die BMW Group entwickelt, ermöglicht 

die rechnerische Simulation des gesamten Lackierprozesses von Fahrzeugkarosserien und 

anderer Strukturen. 

www.virtualpaintshop.com 

Mit AnyBody kann die Mechanik des menschlichen Bewegungsapparates unter Berücksichtigung 

der Muskeln analysiert werden. Damit sind z.B. Aussagen über Muskel- oder 

Gelenkkräfte, die elastische Energie in Sehnen oder die antagonistische Muskelaktivität 

möglich. In der Kombination mit ANSYS können so auf Implantate und Prothesen wirkende 

Kräfte berechnet werden . 

www.cadfem.de/anybody 

ACTRAN von der Firma FFT ist ein umfangreiches Softwarepaket für die Berechnung von 

Akustik, Vibro-Akustik und Aero-Akustik. 

www.cadfem.de/actran 

Diffpack, ein Produkt der inuTech GmbH, ist eine objektorientierte Klassenbibliothek für 

die Lösung von u.a. stochastischen Differentialgleichungen, die Implementierung von 

gekoppelten Systemen. 

www.diffpack.com 

Die FTI Forming Suite ist ein modulares Programmpaket zur Bewertung der Umformbarkeit 

von Blechbauteilen, zur Berechnung von Platinenzuschnitten, Platinenschachtelung, 

Schachtelung von Folgeverbundprozessen und Optimierung von Materialkosten. FTI Forming 

Suite Produkte sind standalone und CAD-integriert (u.a. CATIA) verfügbar. 

www.cadfem.de/fti 

Im Geschäftsbereich esocaet bietet CADFEM über die softwarebezogenen Seminarveranstaltungen 

hinaus weitere Kurse für die gezielte CAE-Weiterbildung an. 

www.esocaet.com/seminare

© iStockphoto.com/mevans 

Den richtigen Ton treffen mit ANSYS Acoustics Structures: 

Akustik-Simulation in Workbench 

Wer schwingende Strukturen mit Frequenzgang- bzw. harmonischer 

Analyse untersucht, ist meist auch an deren abgestrahltem Schall interessiert. 

Normen und Lastenheften geben immer öfter auch Obergrenzen für 

den zulässigen Schalldruck- oder Schallleistungspegel vor. Mit dem neuen 

Workbench Add-In ANSYS Acoustics Structures sind diese Werte in wenigen 

Mausklicks zu berechnen. 

ANSYS hat gemeinsam mit Free Field Technologies 

(FFT) das neue ANSYS Workbench 

Add-In ANSYS Acoustics Structures fertiggestellt. 

Das Modul ermöglicht innerhalb 

ANSYS Workbench eine Betrachtung der 

Schallabstrahlung von vibrierenden Körpern, 

die zuvor mit einer ANSYS Frequenzganganalyse 

(Harmonic Response) 

untersucht wurden. 

Als Eingaben für die Akustik-Berechnung 

werden lediglich die Eigenschaften und ein 

FE-Netz für das umgebende Medium 

benötigt. Dieses kann ebenso wie die entsprechend 

einhüllende Geometrie in gewohnter 

ANSYS Umgebung erzeugt werden. 

Setup und Lastübertrag erfolgen automatisch. 

Im Hintergrund startet ANSYS 

Acoustics Structures den effizienten Akustik-Löser 

ACTRAN von FFT. Das ebenfalls 

in der Workbench integrierte ACTRAN Post- 

Processing bietet akustikspezifische Auswertungen, 

z.B. von Schalldruck und Schallleistung 

und deren dB-Pegeln – in 3D-Plots, 

Frequenzgangdiagrammen und integralen 

bzw. gemittelten Größen. 

Ausgabewerte können direkt in den ANSYS 

Parametermanager durchgereicht werden. 

Damit werden Varianten- und Parameterstudien 

in Geometrie, Netz und Rand- 

Bild 1: Workflow für die Akustikberechnung mit ANSYS Acoustics Structures 

bedingungen in der Akustikberechnung 

auf Knopfdruck verfügbar. 

Einfacher Einstieg 

ANSYS Acoustics Structures ermöglicht einen 

schnellen und unkomplizierten Einstieg in 

die Welt der Akustik – von der ersten Betrachtung 

bis hin zu Optimierung mit ANSYS 

DesignXplorer oder optiPlug ohne die gewohnte 

Berechnungsumgebung zu verlassen. 

Über die weiterführenden Möglichkeiten 

der Akustikberechnung mit ACTRAN berichteten 

wir im letzten Infoplaner. 

Nutzen Sie auch unser Know-how! 

CADFEM verfügt über langjährige Erfahrung 

in der Akustik-Berechnung und steht 

Ihnen gerne mit Support, Schulung und 

Pilotprojekten zur Seite. 

Merkmale von ANSYS Acoustics 

Structures in Workbench: 

• Einheitliche Geometrie- und Netzvorbereitung, 

parametrisierbare 

Infrastruktur in ANSYS Workbench 

• Direkter Transfer von Simulationsergebnissen 

aus ANSYS (ab Professional) 

• 3D-Akustik-Berechnung in das 

umgebende Medium (z.B. Luft) 

• Vollautomatisierter Akustik-Setup 

und Lasttransfer 

ANSYS 

• Vorlagen für 3D- und Diagramm- 

Darstellung der Akustik-Ergebnisse 

• Übergabe von Akustikgrößen 

als Parameter 

• Parameterstudien und Anbindung 

an die Optimierung 

i 

Autor und Ansprechpartner 

Steffen Peters, CADFEM GmbH Grafing 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-30 

E-Mail: speters@cadfem.de 

www.cadfem.de/Akustik 

! 

| Information 

| Veranstaltungshinweise 

■ Kostenfreies Webinar 

Akustische Analysen mit 

ANSYS Workbench und ACTRAN 

Details, Termine, Anmeldung 


■ Seminare 

Einführung in die Akustik-Simulation 

mit ANSYS Acoustics Structures 

und ACTRAN 

Vertiefungsseminar 

ACTRAN VibroAcoustics 

Individuelle Seminare zu ACTRAN 

AeroAcoustics stimmen wir gerne 

mit Ihnen ab. 

Details, Termine, Anmeldung 

www.cadfem.de/Seminare/Akustik 


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ANSYS 

Rotordynamische Analysen mit ANSYS: 

Damit es rund läuft 

Die Rotordynamik ist ein spezialisierter Bereich der Maschinendynamik, 

der sich mit der Analyse rotierender Strukturen (Rotor) 

sowie deren Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung (Stator) 

befasst. Solche Strukturen befinden sich zum Beispiel in Turbomaschinen, 

Pumpen, Rührwerken und Ventilatoren, aber auch in 

Computerfestplatten. Einen besonderen Schwerpunkt nimmt bei 

der Rotordynamik die Berechnung des Systemverhaltens aufgrund 

einer in jedem realen Rotorsystem vorhandenen Unwucht ein. Eine 

solche Unwucht entsteht durch einen nicht ideal statisch bzw. 

dynamisch ausgewuchteten Rotor, wodurch der Verlauf der Trägheitsachse 

des Rotors nicht mehr mit der durch die Lagerung vorgegebenen 

Drehachse übereinstimmt. Die Lagerung des Rotors 

ist ebenfalls nicht ideal starr, sondern weist immer eine gewisse 

Nachgiebigkeit und eine gewisse Dämpfung auf, die oft von der 

Rotordrehzahl abhängt und zu Instabilitäten führen kann. 

Mathematische Grundlagen der Rotordynamik 

Bewegungsgleichung des Rotors 

Die Bewegungsgleichung eines viskos gedämpften, diskretisierten, 

zeitinvarianten Schwingungssystems, das die Dynamik des 

Rotors beschreibt, ist durch die Gleichung 

gegeben. Hierin ist u der Verschiebungsvektor, der die Verschiebungen 

und die Verdrehungen aller Knoten beinhaltet. Der zeitveränderliche, 

generalisierte Kraftvektor f(t) enthält die an den 

jeweiligen Knoten angreifenden, zeitabhängigen Kräfte und 

Momente. 

Die Systemmatrizen 

Die Massenmatrix M des Rotors setzt sich zusammen aus den Elementmatrizen 

und den Einzelmassenmatrizen. Hierbei beinhalten 

die Elementmassenmatrizen M B die kontinuierliche Verteilung der 


Alle Bilder: Ventilatorenwerk Oelde 

Schnell drehende Strukturen kommen in Turbinen, Pumpen und Ventilatoren, aber auch in völlig anderen 

Produkten vor. Sie weisen verschiedene Effekte auf, insbesondere Unwucht, die Auswirkungen auf die 

Effizienz und die Stabilität des Gesamtsystems haben können. ANSYS Workbench bietet eine Vielzahl an 

Möglichkeiten, um unerwünschten Nebeneffekten der Rotordynamik frühzeitig gegenzusteuern. 

Masse über dem jeweiligen Wellenabschnitt. Die diagonale Massenmatrix 

M S enthält die einzelnen Massen und Trägheitsmomente 

der aufgesetzten Scheiben. Die Gesamtmassenmatrix M ist eine 

positiv definite Matrix mit drehzahlunabhängigen Elementen. 

Die Matrix der geschwindigkeitsproportionalen Kräfte C setzt sich 

aus der Dämpfungsmatrix und der gyroskopischen Matrix zusammen: 

Die gyroskopische Matrix G berücksichtigt die Kreiselwirkung der 

Elemente. Diese Matrix ist antimetrisch und drehzahlabhängig. 

Die Hauptdiagonale ist unbesetzt: 

Für ein viskos gedämpftes System wäre die Dämpfungsmatrix D 

eine symmetrische und positiv definite Matrix. Da der Rotor jedoch 

gelagert ist, kommen je nach Art der Lagerung zusätzliche 

nichtsymmetrische und drehzahlabhängige Dämpfungsterme hinzu: 

Die Matrix der verschiebungsproportionalen Kräfte K setzt sich 

zusammen aus der drehzahlunabhängigen Steifigkeitsmatrix K B 

der Elemente, sowie der drehzahlabhängigen Spannungsversteifungsmatrix 

K S und der ebenfalls drehzahlabhängigen Lagersteifigkeitsmatrix 

K L . Werden die Starrkörperbewegungen des Rotors 

durch geeignete Randbedingungen unterdrückt, so wird die Steifigkeitsmatrix 

K B positiv definiert. 

Das durch diese Systemmatrizen gegebene System wird also im 

allgemeinsten Fall beschrieben durch ein Differentialgleichungssystem 

2. Ordnung mit unsymmetrischen, drehzahlabhängigen 

Dämpfungs- und Steifigkeitsmatrizen. Die Lösung dieses Diffe-

entialgleichungssystems kann im Frequenzraum oder im Zeitbereich 

erfolgen. 

Die homogene Lösung der Bewegungsgleichung – 

Stabilitätsanalyse – Campbell Diagramm 

Die homogene Differentialgleichung 2. Ordnung im Verschiebungsraum 

lässt sich mittels des Exponentialansatzes 

lösen. Damit ergibt sich das allgemeine Eigenwertproblem im Verschiebungsraum 

Darin sind die komplexen Eigenwerte und die dazu korrespondierenden 

Eigenvektoren. Die Eigenvektoren können nach Ihrer 

Form klassifiziert werden. Im Wesentlichen existieren Torsionseigenformen 

und Biegeeigenformen. Bei rotierenden Systemen 

lassen sich die Biegeeigenformen weiter unterteilen, da sie einen 

Drehsinn aufweisen. Stimmt der Drehsinn mit dem Drehsinn des 

Rotors überein, so spricht man von einem Forward Whirl (FW). Ist 

der Drehsinn der Eigenform dem Drehsinn der Welle entgegengesetzt, 

so spricht man von einem Backward Whirl (BW). Steht 

das Modell still, so fallen die Frequenzen beider Eigenformen zusammen 

zu einer paarweisen Biegeeigenform. Die Eigenwerte sind 

bei unterkritisch gedämpften Systemen aufgebaut wie folgt: 

Sowohl der Realteil als auch der Imaginärteil sind dabei Funktionen 

der Drehzahl . Der Imaginärteil entspricht der Eigenfrequenz 

des Rotors. Der Realteil stellt ein Maß für die Stabilität 

der Eigenform dar, wobei hier lediglich das Vorzeichen relevant 

ist. Beide Werte können in einem Diagramm als Funktion der Drehzahl 

dargestellt werden. Die Darstellung des Imaginärteiles über 

der Drehzahl wird als Campbell Diagramm bezeichnet, die Darstellung 

des Realteiles über der Drehzahl als Stabilitätsplot. Im 

Campbell Diagramm wird zusätzlich die Drehzahl selbst als Linie 

eingetragen. Der Schnittpunkt dieser Linie mit dem Imaginärteil 

des Eigenwertes bezeichnet die kritische Drehzahl, bei der der Rotor 

durch eine eventuelle Unwucht in dieser Eigenform angeregt 

werden kann. Das Vorzeichen des Realteils des zugehörigen komplexen 

Eigenwertes erlaubt eine Aussage, ob die kritische Drehzahl 

stabil durchfahren werden kann oder nicht. 

Bild 1: Campbell Diagramm eines flexibel gelagerten Rotors 

Bild 2: Stabilitätsdiagramm eines flexibel gelagerten Rotors 

Die inhomogene Lösung der Bewegungsgleichung im Frequenzraum 

– harmonische Berechnung – Unwuchtanalyse 

Die inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung im Frequenzraum 

lässt sich lösen durch den Exponentialansatz 

ANSYS 

Die partikuläre Lösung des DGL Systems liefert die komplexen 

Frequenzgänge der Schwingungsamplituden. Der harmonische 

Ansatz liefert den stationären, also den zeitinvarianten Anteil der 

Lösung. Daraus lassen sich z.B. die Resonanzüberhöhungen der 


39

ANSYS 

Schwingungsamplituden bei kritischen Drehzahlen bestimmen 

und sie daraus resultierenden Auflagerkräfte. Zu beachten ist hierbei, 

dass die Rotordrehzahl R nicht unbedingt gleich der Anregungsfrequenz 

sein muss. Im Sonderfall der Unwuchtanregung 

gelten folgende Beziehungen: 

Hierbei ist m die Unwuchtmasse und e der Abstand zur Drehachse. 

Hier ist die Frequenz der Anregung an die Drehzahl des Rotors gekoppelt 

und die Anregungskraft ist proportional zum Quadrat der 

Drehzahl. Da dieser Sonderfall in der Praxis recht häufig auftritt, 

existiert in ANSYS das Kommando SYNCHRO, das diese Kopplung 

automatisch vornimmt. 

Die inhomogene Lösung der Bewegungsgleichung im 

Zeitbereich – transiente Berechnung – Anlaufverhalten 

Die inhomogene Differentialgleichung 2. Ordnung lässt sich nicht 

nur im Frequenzraum, sondern auch im Zeitbereich lösen: 

Die Anregungsfunktion kann dabei eine beliebige Funktion über 

der Zeit sein. Die Differentialgleichung muss daher schrittweise im 

Zeitbereich durch Integration gelöst werden. Zum Einsatz kommen 

hier implizite Zeitintegrationsverfahren wie das Newmark Beta 

Verfahren oder das HHT Verfahren. Die Lösung der DGL im Zeitbereich 

bedeutet einen hohen numerischen Aufwand mit zum Teil 

beachtlich großen Mengen an Ergebnisdaten. Durch diese Analyse 

ist es jedoch möglich, auch den nicht stationären Anteil der Lösung 

zu ermitteln. Die bei den vorangestellten Lösungsverfahren 

notwendigen Linearisierungen z.B. des Verhaltens der Auflager 

entfallen hier und es können auch komplexere nichtlineare 

Zusammenhänge abgebildet werden. Ein interessanter Sonderfall 

ist hier die Anlaufanalyse eines Rotors im Zeitbereich. Auch hier 

sind Rotordrehzahl und Anregungsfrequenz gekoppelt und die 

Anregungsfrequenz (Unwucht) verhält sich wieder proportional 

zum Quadrat der Drehzahl. Das Ergebnis der transienten Analyse 

kann in Form von Orbit Plots und Zeitverläufen von Amplituden 

sowie natürlich auch als Animation des Modells über der Zeit dargestellt 

werden. 

Bild 3: Stabiler Orbit eines flexibel gelagerten Rotors 


Veranstaltungshinweise 

■ Info-Webinar (kostenfrei) 

Berechnungsmöglichkeiten zur rotordynamischen 

Analyse in ANSYS 

• Modalanalyse 

• Campbell Diagramm und Stabilitätsdiagramm 

• Harmonische Analyse 

• Unwuchtanalyse 

• Transiente Berechnung 

• Hochlaufdiagramm 

• Berücksichtigung von Lagersteifigkeiten 

■ Online-Seminar 

Simulation von Aufgabenstellungen 

aus der Rotordynamik 

• Grundlagen rotordynamischer Analysen 

- Begriffe in der Rotordynamik 

- Stabilität 

- Orbit plots 

- Campbell Diagramm 

• Statische rotordynamische Analysen 

• Modale rotordynamische Analysen 

• Harmonische rotordynamische Analysen 

• Transiente rotordynamische Analysen 

Inhalte, Termine, Anmeldung 

www.cadfem.de/rotordynamik 


Bild 4: Instabiler Orbit eines flexibel gelagerten Rotors 

Bild 5: Amplitudenverlauf im Zeitbereich einer transienten Rotorberechnung

Diskretisierung des Rotors 

In der klassischen Rotordynamik besteht der Rotor aus einer schlanken, 

flexiblen Welle mit darauf angeordneten starren Scheiben. 

Die Diskretisierung dieses Systems erfolgt durch Balkenelemente 

für die flexiblen Teile des Rotors und Massenpunkte für die nicht 

flexiblen Anteile. Solche Modelle sind einfach aufzubauen, jedoch 

durch den hohen erforderlichen Grad an Abstraktion begrenzt in 

ihrer Aussagekraft. Abhilfe kann hier eine Diskretisierung des Gesamtrotors 

durch Schalenelemente oder Solidelemente schaffen. 

Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass ein bereits vorhandenes CAD- 

Bild 6: Finite Elemte Modell eines Rotors (oben) & realer Rotor auf dem Prüfstand (Foto) 

Modell des Rotors als Basis für das Finite-Elemente-Modell dienen 

kann. ANSYS stellt die erforderlichen Elemente mit den um die 

gyroskopischen Effekte erweiterten Elementansatzfunktionen zur 

Verfügung. Nachteilig wirkt sich hier allerdings oft die stark zunehmende 

Rechenzeit aus. Ein guter Kompromiss ist hier das 

harmonische Plattenelement SOLID272. Mit diesem Element wird 

lediglich ein ebener Querschnitt des Rotors vernetzt. ANSYS berechnet 

die Lösung in Umfangsrichtung durch eine Fourier 

Reihenentwicklung, deren Genauigkeit vom Benutzer individuell 

festgelegt werden kann. Damit lassen sich auch Rotoren mit komplexen 

Querschnitten mit sehr guter Genauigkeit abbilden, ohne 

lange Rechenzeiten und große Datenmengen in Kauf nehmen zu 

müssen. 

Berücksichtigung des Stators 

Für eine rotordynamische Analyse des Gesamtsystems ist oft neben 

dem reinen Rotor auch das dynamische Verhalten des Stators 

von Bedeutung. Um den Stator angemessen zu berücksichtigen 

ANSYS 

ohne das Finite-Elemente-Modell unnötig zu vergrößern, kommt 

hier die Substrukturtechnik zum Einsatz. Mit Hilfe der Craig- 

Bampton Methode (Component Mode Synthesis Substructuring) 

kann auch ein komplexes Statormodell auf einige wenige Freiheitsgrade 

reduziert werden ohne Abstriche an der Genauigkeit 

der Berechnung in Kauf nehmen zu müssen. 

Berücksichtigung der Lagerung 

Die Verbindung zwischen Rotor und Stator erfolgt durch Lagerelemente, 

die eine gewisse Nachgiebigkeit sowie Dämpfungseigenschaften 

aufweisen. Die Eigenschaften dieser Lagerelemente 

sind in der Regel abhängig von der Drehzahl des Rotors und 

haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Stabilität der Eigenfrequenzen 

des Rotors. Für die Abbildung dieser Eigenschaften 

steht in ANSYS ein spezielles Lagerelement zur Verfügung: Das 

Element COMBI214. Die Lagerkennlinien können mittels einer externen 

Software über eine Schnittstelle direkt nach ANSYS eingelesen 

werden. Die Schnittstelle befindet sich zurzeit in der Entwicklung. 

Wahl des Bezugsystems 

Die klassische Rotordynamik kennt grundsätzlich zwei Bezugsysteme: 

Das ruhende Bezugsystem und das mitrotierende Bezugsystem. 

In ANSYS können Analysen in beiden Bezugsystemen 

durchgeführt werden. Da allerdings Messungen in der Regel nur 

im ruhenden Bezugsystem durchgeführt werden, werden Finite- 

Elemente-Analysen ebenfalls nahezu ausschließlich im ruhenden 

Bezugsystem durchgeführt. Die Umrechnung der Ergebnisse von 

einem Bezugsystem in das andere Bezugsystem ist zudem kompliziert 

und hängt vom Modell selbst ab. Steht das Modell still, so 

existiert kein Unterschied zwischen den Lösungen in beiden 

Systemen. Bei einem rotierenden System ohne nennenswerte 

gyroskopische Effekte kann die Eigenfrequenz bei einer bestimmten 

Drehzahl im ruhenden System ermittelt werden, indem zunächst 

die Eigenform im mit rotierenden System analysiert wird. Handelt 

es sich um eine gegenläufig rotierende Biegeeigenform (BW), so 

ergibt sich die Frequenz im ruhenden Bezugsystem durch Addition 

der Drehzahl zur Eigenfrequenz, im anderen Fall (FW) durch 

Abzug der Drehzahl von der Eigenfrequenz. Sind die gyroskopischen 

Effekte im System dominant (starre Kreiselscheibe auf einer 

masselosen flexiblen Welle), so sind die Eigenfrequenzen im mit 

rotierenden und im ruhenden Bezugsystem gleich. In realen Rotoren 

ist der gyroskopische Effekt weder vernachlässigbar klein 

noch ist er dominant gegenüber allen anderen drehzahlabhängigen 

Effekten. Es existiert daher für reale Rotoren keine einfache 

Umrechnungsvorschrift, um vom mit rotierenden in das ruhende 

Bezugsystem umzurechnen. Es wird empfohlen, rotordynamische 

Analysen grundsätzlich im ruhenden Bezugsystem durchzuführen, 

es sei denn, die Aufgabenstellung erzwingt eine Berechnung im 

mit rotierenden Bezugsystem. 

© iStockphoto.com/dem10 

ANSYS 

ANSYS EKM kann nicht nur Daten verwalten 

Immer mehr Verantwortliche in der Produktentwicklung erkennen, dass sie mit dem bisher erschlossenen 

CAE-Nutzenpotenzial lediglich die ersten Schritte bezüglich eines effizienten Einsatzes der heute verfügbaren 

Simulationslösungen gegangen sind. Sie wollen deshalb die bisherige Nutzung intensivieren und die 

Anwendungsbereiche erweitern. 

Aber auch dies geht einigen Vordenkern 

nicht weit genug. Sie wollen zusätzlich das 

Wissen, das durch die Simulationsanwendungen 

in ihrem Unternehmen erworben 

wurde, im Software-System abbilden und 

effektiv verwalten. Dadurch hoffen sie, die 

Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit des 

Unternehmens langfristig stärken zu können. 

Dabei gehen die Anforderungen über 

eine reine Datenverwaltung weit hinaus, 

Bild 1: Verwaltung der Simulationsdaten und -prozesse mit Hilfe von ANSYS EKM. 


da eine CAE-spezifische Abbildung und Verwaltung 

sowohl von Simulationsdaten als 

auch von Abhängigkeiten und Prozessen 

abzusichern ist. Dazu wurde von ANSYS 

die web-basierte Client/Server-Lösung 

ANSYS EKM (Engineering Knowledge Manager) 

entwickelt. Sie ermöglicht es, eine 

simulationsgesteuerte Produktentwicklung 

(Simulation Driven Product Development) 

zu forcieren, indem die Integration und 

Wiederverwendung des CAE-Wissens über 

Produkte und Prozesse optimiert wird. 

Mehr Zeit zur Bearbeitung der 

eigentlichen technischen Aufgaben 

Ein wichtiges Ziel der EKM-Strategie ist es, 

dem Anwender mehr Zeit zur Bearbeitung 

der eigentlichen technischen Aufgaben zu 

verschaffen, anstatt unnötige Zeit mit der 

Suche nach Informationen, der Dokumentation 

seiner Arbeit und der Archivierung 

der Ergebnisse zu verbringen. Dadurch 

lassen sich unter anderem die Durchlaufzeiten 

beschleunigen beziehungsweise 

mehr Varianten nach dem Prinzip „was 

wäre, wenn“ berechnen. 

Reibungslose Kommunikation 

und effizienter Datenaustausch 

Eine weitere wichtige Grundlage im 

Engineering ist die reibungslose Kommunikation 

und der effiziente Datenaustausch 

zwischen den im Einsatz befindlichen 

CAD- und CAE-Anwendungen. Jedoch sind 

die traditionellen PDM-Lösungen (Produkt 

Daten Management) auf die Verwaltung 

von CAD-Modellen ausgerichtet und nicht 

auf die Besonderheiten der Simulationsdaten 

und -prozesse. Außerdem müssen 

Simulationen teilweise in unterschiedlichen 

physikalischen Disziplinen – wie Struk-

Bild 2: Prozessablauf beim gemeinsamen Einsatz 

von EKM für Fluid- und Mechanik-Simulationen. 

turmechanik, Strömung, Temperatur, 

Akustik oder Elektromagnetik – durchgeführt 

oder als Multiphysics-Anwendungen 

miteinander in Beziehung gebracht werden. 

Folglich sind sowohl die Heterogenität 

der einzelnen Simulationsdisziplinen als 

auch die Beziehungen und Abhängigkeiten 

zwischen den Disziplinen zu berücksichtigen. 

Mit der EKM-Software lassen sich sämtliche 

CAE-Daten, aber auch andere Dateiformate, 

in ihrem jeweiligen Kontext verwalten. 

Dabei erfolgt die Extraktion der 

Metadaten automatisch und kann kundenspezifisch 

angepasst werden. So können 

die wichtigsten Eigenschaften und 

Ergebnisse einer Simulation auch über die 

Metadaten bewertet werden, ohne die entsprechenden 

Dateien öffnen zu müssen. 

Bedarfsgerechte Bereitstellung 

zur Wiederverwendung 

Mit der systematischen Verwaltung der Informationen 

aus dem Produktentstehungsprozess 

sowie der bedarfsgerechten Bereitstellung 

wird die Wiederverwendung von 

zuvor erarbeitetem Wissen vereinfacht und 

kann damit für ähnliche, modifizierte Anforderungen 

genutzt werden. Dazu gehört 

unter anderem die Dokumentation der einzelnen 

Arbeitsschritte innerhalb der Produktentwicklung 

inklusive der Grundlagen 

für die Entscheidungsfindung. Neben der 

Dokumentation der Eingangsbedingungen 

für die Berechnungen sowie deren Ergebnisse 

kann die Ergebnisinterpretation unter 

anderem durch die automatische Erstellung 

von Vergleichsreports erleichtert werden. 

Außerdem ist im Bereich der Simulationsanwendungen 

ein hohes Maß an Automatisierungspotenzial 

vorhanden, das umgesetzt 

werden sollte, um sich dann auf die 

wichtigen kreativen Engineering-Aufgaben 

zu konzentrieren. Mit dem im ANSYS EKM 

integrierten Prozessmanagement können 

immer wieder durchzuführende Arbeitsschritte 

automatisiert ablaufen, um so die 

Effizienz zu erhöhen und die Fehlerrate zu 

minimieren. Hier sei insbesondere auf die 

Standardisierung von Prozessen hingewiesen, 

die unternehmensweit über Ländergrenzen 

hinweg etabliert werden kann. Ferner 

wird eine gezielte Steuerung der Datenflüsse 

durch automatisierte Prozess- 

abläufe ermöglicht, so dass sich der manuelle 

Koordinationsaufwand auf ein Minimum 

reduzieren lässt. 

Zusätzlich haben beispielsweise Projektleiter 

jederzeit einen guten Überblick über 

den aktuellen Stand der Entwicklung und 

können gezielt in den Projektdaten navigieren, 

um die für sie wichtigen Informationen 

zu erfassen. Sie erhalten damit einfach 

und schnell den erforderlichen Wissensstand, 

wobei auch hier die Devise gilt: 

so wenig Daten wie möglich, aber so viel 

Informationen wie nötig. Die automatische 

Erstellung von Reports für interne Projektbesprechungen 

(design review meetings) 

oder Präsentationen beim Kunden schaffen 

eine solide Grundlage für die notwendigen 

Entscheidungsfindungen. 

Schutz des unternehmensspezifischen 

Know-how 

Die EKM-Lösung ermöglicht mehr Transparenz 

und eine gezielte Wiederverwendung 

von vorhandenem Wissen. Dadurch 

muss „das Rad nicht immer wieder neu erfunden 

werden“, speziell bei einer regional 

verteilten Entwicklung. Außerdem geht 

das Wissen von erfahrenen Mitarbeitern 

mit ihrer Pensionierung nicht vollständig 

verloren, sondern kann zumindest teilweise 

in die Software-Lösung integriert werden. 

Über eine dedizierte Benutzerverwaltung, 

mit der die Zugriffsrechte von einzelnen 

Mitarbeitern, Arbeitsgruppen und Abteilungen 

geregelt werden, kann der Schutz 

des geistigen Eigentums umfassend abgesichert 

werden, so dass das Wissen über 

die eigenen Produkte sowie deren Entwicklungs- 

und Fertigungsprozesse nicht 

in fremde Hände beziehungsweise auf 

fremde Rechner geraten kann. 

ANSYS 

Resümee 

Innerhalb des gesamten Produktentstehungsprozesses 

nimmt die Simulation 

zwar nur einen kleinen, hochspezialisierten 

Platz ein, spielt aber trotzdem eine 

wichtige und oft entscheidende Rolle in 

der Produktentwicklung. Aufgrund der 

Spezialisierung, der Vielfältigkeit und der 

hohen Komplexität der Simulationsanwendungen 

stand deren Integration in 

unternehmensweite PLM-Lösungen (Product 

Lifecycle Management) bisher noch 

nicht so im Mittelpunkt der Aktivitäten, wie 

etwa die Konstruktion und die Fertigung 

mit ihren CAD- und CAM-Anwendungen. 

Mit ANSYS EKM wurde jedoch eine Lösung 

entwickelt, mit der die speziellen Anforderungen 

der Simulation an Datenmanagement 

und Prozessunterstützung erfüllbar 

sind und gleichzeitig die Einbindung in 

unternehmensweite PLM-Lösungen erleichtert 

wird. Mit Hilfe einer simulationsgesteuerten 

Produktentwicklung (Simulation 

Driven Product Development) und 

einem entsprechenden Wissensmanagement 

können Unternehmen gezielter und 

schneller auf veränderte Marktanforderungen 

reagieren, da umfangreiches Produktwissen 

nicht nur vorhanden, sondern 

auch für die Wiederverwendung direkt 

verfügbar ist. 

Software 

Entwicklung eines Fahrradrahmens mit ANSYS Composite PrepPost: 


In Kooperation mit der GHOST-Bikes GmbH haben Wissenschaftler am Institut für Strukturleichtbau 

und Sportgerätetechnik (IST) der TU Chemnitz erfolgreich die Beanspruchungen im 

Fahrbetrieb eines Fahrradrahmens aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit 

ANSYS Composite PrepPost virtuell abgebildet und das Versagen der komplexen Leichtbaustruktur 

analysiert. 

Bild 2: Segmentiertes Flächenmodell des Fahrradrahmens 

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind aufgrund 

ihrer hohen mechanischen Leichtbaueigenschaften 

und der nahezu endbearbeitungsfreien 

Fertigung der Trendwerkstoff 

im Rahmenbau von Mountainbikes. 

Darüber hinaus lassen sich die Endlosfasern 

gezielt in Richtung der Belastungen 

anordnen und somit hohe gewichtsbezogene 

Bauteilfestigkeiten und -steifigkeiten 

der Rahmen durch hochfeste Kohlefasern 

erreichen. Zur Optimierung des 


Materialeinsatzes und 

der Bestimmung der 

Faserorientierung sind 

allerdings aufwändige 

Berechnungen notwendig, 

die bei derartig 

komplexen Bauteilen 

den Einsatz von 

numerischen Berechnungsmethodenvoraussetzen.KonventionelleSimulationsprogramme 

erfordern bei 

der Definition der Faserorientierung 

und des Laminataufbaus 

einen erhöhten Modellierungsaufwand, so 

dass ihr effizienter Einsatz in der Fahrradindustrie 

bisher eher auf metallische Werkstoffe 

beschränkt ist. 

Mit ANSYS Composite PrepPost steht nun 

eine in ANSYS Workbench integrierte, speziell 

für geschichtete Verbundbauteile entwickelte 

Software zur Verfügung, die auf 

die hervorragenden Element- und Solver- 

Technologien von ANSYS zurückgreift und 

durch innovativeModellierungs- 

und Auswertungsmöglichkeiten 

die 

notwendigen 

Anpassungen 

zur Berechnung 

von FKV-Strukturen 

wesentlich vereinfacht. 

Bild 1: Mountainbike HTX Lector 

Team Black der GHOST-Bikes GmbH 

(Quelle: GHOST-Bikes GmbH) 

Im Vordergrund der wissenschaftlichen 

Arbeiten am IST stehen die Entwicklung 

und Erforschung integrativer 

Kunststofftechnologien zur ressourceneffizienten 

Fertigung von Leichtbaustrukturen 

und -systemen. Zur optimalen 

Einstellung von Strukturparametern und 

Prozessfenstern werden analytische und 

numerische Berechnungsverfahren eingesetzt 

und dabei seit Jahren auf die Produkte 

von CADFEM wie z.B. ANSYS, LS-DYNA 

und ESAComp vertraut. Durch den zielgerichteten 

Einsatz und die Kombination der 

einzelnen Softwarelösungen können die 

Bild 3: Applizierte DMS-Rosetten Bild 4: Laminatkonfiguration im ESAComp (links) und Kontrolle des Lagenaufbaus im ACP (rechts)

ca. 280 Wissenschaftler aus Chemnitz, die 

im Netzwerk Strukturleichtbau (IST, An- 

Institut CETEX, Strukturleichtbau e.V. und 

Start-Up LSE GmbH) zusammenarbeiten, 

einen breiten Forschungsbereich abdecken. 

Zu den Projektpartnern zählen regionale 

und überregionale KMU sowie Großunternehmen 

aus unterschiedlichen Branchen. 

Ermittlung der Betriebslasten 

Für eine effektive numerische Simulation 

ist die genaue Kenntnis der Betriebsbelastungen, 

der Randbedingungen und der 

ertragbaren Beanspruchungen des Bauteils 

zwingend erforderlich. Die technischen Anforderungen 

und zugehörigen Prüfverfahren 

werden für Mountainbikes durch die 

DIN EN 14766 und mit einem erhöhten 

Leistungsprofil durch die DINplus definiert. 

Beide berücksichtigen allerdings nicht alle 

im Fahrbetrieb wirkenden Belastungen, so 

dass aktuelle Forschungsprojekte zur Betriebslastenermittlung 

an Fahrrädern analysiert 

und aus den Ergebnissen eine erweiterte 

Rahmenprüfung abgeleitet wurde. 

Durch die Erhöhung des Belastungs- 

Bild 5: Definition der 0°-Faserrichtung mit Hilfe von kartesischen Koordinatensystemen 

Software 

niveaus und die Berücksichtigung von 

Bremsbelastungen, Sattel- und Lenkerlasten 

wurden insgesamt drei Lastkollektive definiert. 

Anschließend konnten die Rahmenprüfungen 

mit Pro/ENGINEER MDX 

virtuell abgebildet und die 

dynamischen Kräfte, die 

auf den Fahrradrahmen 

einwirken, analysiert 

sowie in sieben 

quasi-statische 

Lastfälle überführt 

werden. 

Um die unterschiedlichbelasteten 

Bereiche 

des Bauteils 

durch eine zielgerichteteMaterialzuweisung 

optimal auszulegen 

wurde der 

Rahmen im ANSYS 

DesignModeler virtuell in 

neun Segmente (Bild 2) unterteilt. 

Die abschließende Verifizierung 

des Simulationsmodells erfolgte mit DMS- 

Messtechnik auf einem branchentypischen 

Prüfstand der GHOST-Bikes GmbH (Bild 3). 

Simulation in ANSYS Composite PrepPost 

Das vollständig definierte Simulationsmodell 

wird durch die assoziative Kopplung 

mit ANSYS Workbench direkt in das Composite-Tool 

übernommen. Für die FKV-spezifische 

Modellierung des Fahrradrahmens 

bietet ANSYS Composite PrepPost im Bereich 

des Pre- und Postprocessing viele 

effiziente und praxisbezogene Funktiona- 


45

Software 

Bild 6: IRF nach Bruchkriterien von Cuntze für die Ausgangslaminatkonfiguration 

litäten. Die Materialdefinition inklusive 

versagensrelevanter Parameter ist durch 

manuelle Eingabe oder durch den Import 

von in ESAComp erstellten Materialkombinationen 

möglich. Diese können anschließend 

zu Einzelschichten, Laminaten 

und Laminatgruppen mit unterschiedlichen 

mechanischen Eigenschaften sowie Gesamtdicken 

zusammengefasst werden. Für 

die Versagensanalyse des Fahrradrahmens 

wurden insgesamt 16 Laminatkonfigurationen 

mit Standard-, hochfesten sowie 

hochsteifen Kohlefasern erstellt und miteinander 

verglichen. Die Materialzuweisung 

für das Simulationsmodell ist im ANSYS 

Composite PrepPost über orientierte 

Elementgruppen festgelegt (Bild 4). Über 

diese Elementgruppen, die für jeden Bereich 

des Fahrradrahmens definiert werden 

und sich untereinander überlappen können, 

werden zudem die Ablagerichtung des 

Laminats und die 0°-Faserrichtung definiert. 

Bild 7: IRF nach Bruchkriterien von Puck für die optimierte Laminatkonfiguration 


Zusätzlich kann der 

Anwender durch kartesische, 

zylindrische 

und sphärische Koordinatensysteme 

die 

Faserrichtung für jede 

Elementgruppe individuell 

anpassen 

(Bild 5). 

Im Postprocessing 

überzeugt ANSYS 

Composite PrepPost 

vor allem durch die 

Implementierung vieler 

aktueller Versagenskriterien 

sowie 

der Möglichkeit der intergralen und schichtweisen 

Ergebnisauswertung, so dass für 

den CFK-Rahmen in den einzelnen Lastfällen 

jeweils die kritischen Bereiche identifiziert 

werden konnten. Weiterhin ist es für 

die besonders kritischen Bereiche unter 

Anwendung der neuen Bruchkriterien nach 

Puck und Cuntze gelungen, das exakte 

Versagensverhalten zu bestimmen (Bild 6). 

Diese Informationen wurden anschließend 

für die gezielte Anpassung des Lagenaufbaus 

verwendet und unterschiedliche 

Variantenstudien durchgeführt. Das Ergebnis 

der Untersuchungen ist ein optimierter 

CFK-Rahmen, der die Festigkeitsanforderungen 

des Bauteils erfüllt und im 

Vergleich zu den ursprünglichen Varianten 

sogar kostengünstiger in der Herstellung 

ist (Bild 7). 

Mit ANSYS Composite PrepPost können die 

Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften 

von faserverstärkten 

Fahrradkomponenten 

optimal auf die Anforderungen 

im Fahrbetrieb 

angepasst 

und die Effizienz bei 

der Entwicklung neuer 

Bauteile gesteigert 

werden. Entgegen 

der für die Fahrradbranche 

typischen 

„Trial and Error“ Entwicklungsmethodik 

wird dadurch die Anzahl 

kosten- und zeitintensiver 

Versuche an 

Prototypen verringert. 

CAE-Weiterbildung 

6. CAE-Forum betrachtete die 

Wirtschaftlichkeit von Simulationen 

Das 6. CAE-Forum fand mit rund 50 Teilnehmern am 4. November 2010 in Aachen während der „ANSYS 

Conference & 28. CADFEM Users’ Meeting 2010“ statt und beschäftigte sich mit dem Thema „Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 

von Simulation“. Moderiert wurde es von Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack, Lehrstuhlinhaber 

für Konstruktionstechnik an der Universität Erlangen, und von Mitgliedern der Technet Alliance. 

In Aachen berichtete Peter Seggewiß von 

der Kolbenschmidt Pierburg AG, wie auf 

Konzernebene im Zentralbereich Forschung 

und Technologie neben einer zentralen Vorentwicklung 

die Zusammenfassung der 

Bereiche der Simulation, der Elektronik-Entwicklung, 

sowie der Motor- und Komponenten-Prüfeinrichtungen 

in der Zentralen 

Entwicklung erfolgte. Einer der wichtigsten 

Erfolge der Konzernstrategie war die Steigerung 

der Produktqualität bei gleichzeitiger 

Kostenreduktion. Wie Peter Seggewiß 

erläuterte, bleibt trotz des unstrittigen Beitrags 

zum Erfolg eine auf Zahlen basierte 

Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Simulation 

schwierig. „Während die Kostenseite 

noch vergleichbar transparent erscheint, wird 

die Betrachtung des Nutzens spätestens bei 

der Bestimmung von Opportunitätserlösen 

als wirtschaftlicher Beitrag der Simulation 

heikel.“ Dabei bestand in der Diskussion 

Einigkeit darüber, dass viele Produkte ohne 

Simulation nicht realisierbar wären. 

Im zweiten Vortrag des Tages erläuterte 

Thomas Grathwohl vom Liebherr-Werk 

Ehingen die Hauptaufgaben der Berechnungsingenieure 

in seinem Unternehmen. 

Sie beschäftigen sich mit Stahlbauauslegungen 

für Krane mit einer Tragfähigkeit 

von bis zu 3.000 Tonnen. Dabei sind kleine 

Stückzahlen die Regel, manchmal sogar 

Einzelanfertigung, so dass schon der 

„Prototyp“ dem Kunden fehlerfrei ausgeliefert 

werden muss. Bezüglich der Simulation 

bestimmen die gewählten Berechnungsmodelle 

die Wirtschaftlichkeit. Mit 

dazu gehören die richtige Software und Simulationsmethodik 

sowie die Ausbildung 

und die Erfahrungen der Mitarbeiter. 

Thomas Grathwohl erläutert: „Im Kranbau 

müssen die Regelwerke exakt eingehalten 

werden, und zwar für vielfältige Rüstzustände 

und Konfigurationsmöglichkei- 


Vorankündigung 

7. CAE-Forum: 

Von der Co-Simulation 

zur Systemsimulation 

am 8. Juni 2011 an der 

Friedrich-Alexander-Universität, 

Erlangen-Nürnberg 

Diskussionsschwerpunkte: 

• Einbindung von FE-Modellen 

in die Regelungssoftware: 

Berücksichtigung der Komponentensimulation 

im Gesamtsystem 

• Mechatronik: Kopplung mechanischer 

und elektronischer Berechnungen 

• Fluid-Struktur-Interaktion: 

Kopplung Strömungssimulation 

und mechanischer Simulation 

www.esocaet.com/cae-forum 

Kristin Schuhegger 

Tel. +49 (0) 80 92-70 05-80 


ten, wobei immer große Verformungen zu 

berücksichtigen sind.“ Deshalb ist im Kranbau 

die Simulation zwingend notwendig, 

denn sie liefert die Eingangsparameter für 

die Konstruktion. „Nur durch die Simulation 

können die in einer Struktur vorhanden 

Reserven – zum Beispiel ein günstigerer 

Kraftfluss – aufgespürt und genutzt werden“, 

betont er. 

Einen anderen Aspekt beleuchtete Rolf 

Klamann von Continental im Zusammenhang 

mit den Megatrends (Umwelt, 

Sicherheit, bezahlbare Mobilität und CO 2- 

Minderung) in der Automobilindustrie. Als 

entscheidend sieht er die Frage: Wann bin 

ich mit meiner Innovation am Markt? Denn 

nur der Erste kann die größte Marge erzielen. 

Er empfiehlt deshalb, für jede Aufgabe 

das jeweils beste Software-Werkzeug einzusetzen, 

und appellierte an die Anbieter, 

flexiblere Lizenzmodelle zu realisieren und 

den Datenfluss zwischen den Anwendungen 

zu verbessern. Als nächste Herausforderung 

nannte er die Integration von Anwendungen 

in der Mechanik-, Elektronikund 

Software-Entwicklung (Mechatronik). 

Im abschließenden Impulsvortrag berichtete 

Thomas Stark über die enge Einbindung 

der Simulation in die diversen Entwicklungsprojekte 

bei der Bauknecht 

Hausgeräte GmbH und der internationalen 

Muttergesellschaft Whirlpool. Damit 

soll der Nutzen der Simulation bei voller 

Kostenkontrolle stetig erhöht werden. Als 

einen Hauptvorteil der Simulation wird der 

verbesserte Einblick in die Physik gesehen, 

der optimierte Lösungen für die Produktentwicklung 

ermöglicht. Folglich wurde die 

Simulation bei Bauknecht als kritische Kernkompetenz 

im Engineering erkannt, denn 

wiederverwendbare Simulationsprozesse 

und -daten schaffen mehr Sicherheit, beschleunigen 

die gesamte Produktentwicklung 

und reduzieren die Fehleranfälligkeit. 

Außerdem berichtete Thomas Stark über 

die Prämissen, mit denen Bauknecht eine 

Ausweitung der Simulation in Länder mit 

geringeren Lohnkosten realisiert. Über diesen 

allgemeinen Trend in der Industrie wurde 

im Plenum intensiv diskutiert, unter anderem 

über den hohen Kommunikationsaufwand 

und die Gefahr eines Know-how- 

Abflusses aber auch über rapide steigende 

Lohnkosten in den entsprechenden Ländern. 

Abschließend betonte Thomas Stark, 

dass komplexe und kritische Simulationsaufgaben, 

bei denen viel Produkt-Knowhow 

erforderlich ist, weiterhin in Europa 

Revisiting the Mechanical Testing of Human 

Arterial Tissue Considering Residual Stresses 

Mechanical testing of human arterial tissues is required to determine their biomechanical properties and to 

specify suitable constitutive models and related parameters. Such constitutive models, in turn, facilitate 

meaningful finite element simulations at tissue as well as at organ level, and thus open up a multitude of 

possible studies. Passive tissue response is commonly measured using uniaxial or biaxial mechanical testing, 

or pressure-diameter tests, of complete arterial tissue samples. 

Such studies were originally conducted by 

assuming that the stresses and strains in 

the unloaded state – one with zero trans- 

mural pressure and zero axial load – were 

zero throughout the tissue sample (Chuong 

and Fung 1986). This assumed reference 

Fig. 1: Circumferential strip (aortic segment after a radial cut through the vessel wall) (a) and longitudinal strip (aortic segment 

excised along the vessel axis) (b) of a human aorta attached to a cylindrical plastic tube in a Ca 2+ 

-free saline solution at a temperature 

of 37 ± 0.1 °C after 16 hours of equilibration; from Holzapfel et al. (2007). 

Fig. 2: Human aortic patches along the circumferential (a) and the longitudinal (b) directions, and separated into three strips, i.e. 

the intima, media, and adventitia. The intact aortic tissue patches are shown at the top. Although, before separation the aortic 

patches all had the same in-plane dimensions, their dimensions differ significantly after separation. This phenomenon indicates the 

existence of layer-specific residual stretches in the circumferential and longitudinal directions; from Holzapfel et al. (2007). 


state was then used to define stresses and 

strains at the loaded tissue states. 

This approach can cause significant errors 

in the determination of stresses and strains 

in arterial tissue as residual stresses are 

known to exist as stated in, for example, 

Chuong and Fung (1986) and Holzapfel 

et al. (2007). Arterial tissue analysis has 

been refined by characterizing the residual 

deformations using a single measured 

parameter from a complete tissue sample, 

the so called ‚opening angle‘ of a radially 

cut ring segment (Chuong and Fung 

1986). 

Recent studies have shown, however, that 

it is unlikely that residual deformations in 

the arterial wall can be appropriately characterized 

using a single parameter due to 

the inhomogeneous nature of the tissue 

and the three-dimensional (3D) character 

of the residual deformations. 

Three-dimensional residual stresses in the 

composite arterial tissue have been considered, 

for example in the study by 

Holzapfel et al. (2007). They analyzed the 

residual deformations of layer-specific tissue 

strips obtained from the circumferential 

and longitudinal directions; representative 

images are shown in Fig. 1. In addition, 

layer-separated (intima, media, adventitia) 

testing has demonstrated that significant 

residual stresses exist within these three 

layers in the unloaded, composite state 

(Holzapfel et al. 2007). Once the three 

layers present in the (aged) human arterial 

wall are separated, it is possible to determine 

a (nearly) stress-free configuration for 

each layer, in both the circumferential (Fig. 

2(a)) and the longitudinal (Fig. 2(b)) directions. 

This contraction or respectively 

expansion of the individual arterial layers 


49


Fig. 3: Stress-free configuration 

of three arterial 

tissue layers of a longitudinal 

strip (the longitudinal 

direction corresponds 

to the x-direction). 

Colors indicate different 

arterial layers with different 

material parameters 

(intima, media, and 

adventitia correspond to 

blue, red and yellow, 

respectively). 

Fig. 4: Numerical reconstruction 

of the arterial 

tissue sample by expansion 

or contraction of 

each layer leading to the 

generation of stresses. 

Average nodal stress j xx 

in the x-direction, given 

in kPa. 

Fig. 5: Simulated relaxation 

in physiological saline 

solution of a longitudinal 

arterial tissue strip 

at a temperature of 37 

±0.1 °C leads to significant 

curvatures in both 

longitudinal and circumferential 

direction. The 

tensile stresses in the 

media are reduced. The 

deformed state is very 

similar to that one observed 

experimentally, see 

Fig. 1(b). The residual 

stress distribution j xx in 

the tissue sample is based 

on average nodal stresses in 

the x-direction, given in kPa. 


after separation leads to an estimation of 

the arterial pre-stretch. 

Students and researchers at the Institute 

of Biomechanics, Graz University of Technology 

are using ANSYS to study the 

residual stresses in the arterial tissue layers. 

As a representative example, using a neo- 

Hookean material model and SOLID185 

hexahedral finite elements, the three tissue 

layers in the longitudinal direction are 

considered in their (nearly) stress-free 

configurations (see Fig. 3). It is assumed 

that due to the low bending stiffness the 

individual layers are not curved. This 

assumption can be verified by considering 

the individual layers in Fig. 2. Material 

parameters for the individual arterial layer 

have been taken from Holzapfel and Ogden 

(2010) and are indicated by different colors 

(intima, media and adventitia correspond 

to blue, red and yellow, respectively). 

Using experimentally determined prestretches 

(Holzapfel et al. 2007), the three 

tissue layers can be expanded or contracted 

in the longitudinal and circumferential 

directions accordingly to numerically 

reconstruct the original tissue composite, 

as shown in Fig. 4. This numerical reconstruction 

leads to the generation of residual 

stresses in the tissue sample, compressive 

stresses in the intima, and tensile stresses 

in the media and adventitia. 

Finally, the composite tissue is allowed to 

relax as in a physiological saline solution 

(temperature of 37 ±0.1°C), shown in Fig. 5, 

where the attachment to the cylindrical 

plastic tube is modeled by boundary conditions. 

Hence, as seen in Fig. 5, a residual 

stress distribution occurs in addition to 

longitudinal (along the x-direction) and 

circumferential (along the y-direction) 

curvatures. The numerical result shows the 

basic biomechanical characteristic of that 

particular tissue strip observed experimentally, 

see Fig. 1(b). 

Finite element models, employing the 

Holzapfel constitutive model for arterial 

tissue (Holzapfel et al. 2000), are used to 

study residual stress states in human arterial 

tissue, an area for research with several 

important applications. The model of 

Holzapfel et al. (2000) has been implemented 

in ANSYS using the USERMAT user

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programmable features (Fritsch 2008a and 

Fritsch 2008b). It is clear that residual deformations 

and stresses play a significant role 

in the function of arterial walls, and 

therefore, in vascular physiology and 


Review of the Basic Hyperelastic 

Constitutive Models in ANSYS 13.0 

This article discusses four hyperelastic models for rubberlike 

materials. These models are available in ANSYS 13. We 

also rank the models, according on their capability of accurately 

reproducing the multiaxial loading states observed 

in the reality. 

In the following we discuss elements of the constitutive modeling 

of class of materials generally known as rubbers or elastomers. 

The former name – “rubbers” – also probably the oldest one, refers 

to the unimportant ability of these materials to remove pencil 

from paper by an abrasive rubbing action. On the other hand, 

the name elastomers, is more illuminating and characterizes the 

important ability of these extraordinary materials to sustain large 

reversible elastic deformations. 

The elastomers find usage in variety of technical items such as 

tires, transmission mounts, exhaust rubber parts, heart valves, 

gaskets in supersonic jet plane, etc. The design of these technical 

parts necessitates the use of simulation tools such as finite element 

software. In this context, the choice of an appropriate constitutive 

model is an essential prerequisite for good numerical predictions. 

There is significant number of papers which proposed new 

constitutive equations for rubber in the last few years. All of these 

models attempt to describe the response of elastomers, but few 

of them are indeed able to characterize material in a way completely 

coherent with the experimental observations. Moreover, 

there are few studies that quantitatively evaluate and compare 

the predicitive capabilities of available hyperelastic material models. 

Among the known ones we mention: [1], which compares six 

different models and highlights the danger of power series 

formulations in hyperelasticity for characterization of biaxial 

response of rubbers, based on material parameters from uniaxial 

experimental data;[2] compares five models for different types of 

deformation; [3] considers experimental data of Treloar and 

Watanabe and proposes ranking of 26 hyperelastic material 

formulations, based on their predictive capabilities. 

Below we closely follow [3] in highlighting the features of two 

new constitutive formulations appearing first in ANSYS 13, namely: 

the micromechanically motivated extended tube model; and the 

response function model. Notice that, the elastomer response, in 

focus is assumed isotropic and incompressible. All inelastic 

phenomena (viscoelasticity or damage) are neglected and only the 

non-linear elastic response is taken into consideration. 

General classification of material models for elastomers 

Hyperelastic constitutive models can be grouped into three classes, 

depending on the technique followed by the authors when 

characterizing energetically the response of elastomers: 

Group 1: Phenomenological models. 

This group, of constitutive formulations is derived based on macro- 


mechanics of deformation. From this class of models most widely 

used is the proposal of Mooney and Rivlin. Specific is that material 

parameters are generally difficult to determine and the models 

have their deficits when used out of the deformation range in 

which their parameters were identified. 

Group 2: Response type of models. 

These are models in which the derivatives of the hyperelastic 

potential are directly determined based on the the experimental 

data. Example is the new response function model in ANSYS 13. 

Roughly, these kinds of formulations do not require estimation of 

material parameters but work with the experimental input directly. 

Group 3: Micromechanical models. 

The models of this group are derived based on careful study of 

stochastic kinetics of deforming polymer chains. Such models lead 

to hyperelastic potentials depending on micromechanical deformation 

mechanisms observed in the elastomer. Although physically 

very sound, in most of the cases, the mathematical formulation 

of this goup of models is quite complicated. The Bergström- 

Boyce models, as well as the extended tube model in ANSYS 13 

are typical examples for such formulations 

Continuum mechanical considerations 

Consider the deformation of a rubber-like solid and denote by F 

the local deformation gradient. The right and left Cauchy-Green 

deformation tensors, respectively C and b, are defined by: 

These tensors admit the same three same principal invariants 

denoted I 1, I 2 and I 3, given by: 

For homogeneous isotropic elasticity, the stored energy per unit undeformed 

volume is a function only of the principal invariants, i.e. 

In the general theory of hyperelasticity, it is assumed that stress 

tensors derive from strain energy function. Known (5), one 

therefore calculates the stress state at each material point by 

differentiating W in the corresponding strain measure. For large 

strain problems, two major stress tensors are used: the true (or 

Cauchy) stress tensor and the nominal (or first Piola-Kirchhoff) 

stress tensor P. They are related by, . Considering 

incompressible materials leads to an additional kinematical 

condition on strain: . This condition is typically captured 

by penalizing the compressible elastic response with an additional 

term in the hyperelastic potential. 

a) Phenomenological models 

Begin with the Mooney-Rivlin material model. It is based on the 

(1) 

(2) 

(3)

observation that rubber response is linear under simple shear 

loading conditions, and considers W in the following form: 

where C ij are material parameters and C 00= 0. The Mooney-Rivlin 

series is often truncated after the second order terms. Since the 

Mooney-Rivlin representation is not polyconvex it can be improved 

by considering other strain invariants. 

b) Response type models 

This type of material model is first available in ANSYS 13. The 

model uses experimental data to determine the derivative of the 

hyperelastic potential with respect to the three principal invariants 

(constitutive response functions). Based on this information further, 

the material tangent matrix (second derivative of the hyperelastic 

potential) is calculated and used in the construction of the element 

incremental stiffness matrices.. 

c) Physically-Based models 

The physically-based models are derived from micromechanical 

studies of the response of polymer chains in the network. The 

difference between these models depends on number of micromechanical 

deformation modes accounted for. Below we consider 

two typical representatives of these kinds of models: the neo- 

Hookean model; and the extended tube model. The neo-Hookean 

model – probably the simplest – physically based material equation 

for rubbers, can be made coincident with the Mooney-Rivlin 

model. The neo-Hooke formulation is derived from molecular chain 

statistics considerations. As well known rubbers consist from a 

network of long flexible randomly oriented chains (cross-) linked 

by chemical bounds. The elasticity of this network is due to entropic 

changes during deformation (the rubber cools-down when 

stretched) and the entropy of the material is defined by the number 

of possible conformations of macromolecular chains. Based on 

the statistical estimate of the number of conformations, the neo- 

Hooke model is obtained in the form: 

where n is the chain density per unit of volume; k is the Boltzmann 

constant and T is the absolute temperature. For carbon 

black-filled natural rubber, 

The derivation of the neo-Hooke model is “biased” by the so called 

phantom assumption, namely: the model does not account 

for chains entanglement and allows for polymer chains to pass 

through feely. When accounting for the entanglement constraint 

in the deformation kinetics of polymer chain, the hyperelastic 

potential can then be considered in a separable form of the kind, 

W= W ph +W c ,where W ph is the phantom network contribution 

and W c is the constrained part. The extended tube model by, 

Heinrich and Kaliske [4] belongs to the physically based elastomer 

formulations whose energetic formulation is captured by this 

expression. In this model the chains are constrained to remain in 

a tube formed by surrounding chains. Such assumption is consistent 

with the high degree of entanglement of the rubber network by 

large macroscopic deformations. The confinement of chains is 

governed by a topology restoring potential. The authors used the 

(4) 

(5) 

statistical mechanics based on non-Gaussian distribution to 

determine the hyperelastic potential 

Ranking of the hyperelastic constitutive formulations 

In order to assess the capabilities of the above mentioned hyperelastic 

constitutive formulations available in ANSYS one could utilize 

the following set of evaluation criteria: (i) larger the validity range 

of a model for the complete behavior (different types of loading 

conditions), upper the ranking; (ii) greater the number of material 

parameters of a model, lower the ranking; (iii) in the context of (i) 

and (ii), the model able to reproduce completely the experimental 

data set with the same set of material parameters is considered the 

best; (iv) to the physically-based models is given larger preference 

because the hyperelastic formulation based on micromechanical 

considerations is the only reasonable ground for the development 

of inelastic constitutive equations (viscoelasticity, Mullins effect, 

etc.). According to these ranking criteria the above mentioned 

models classify as follows (descending order in capabilities): 

1. The extended tube model 

2. The response function model 

3. Mooney-Rivlin model 

4. neo-Hooke model 


Conclusion 

This ranking leads to some remarks. First, only 2 models are typically 

able to fit all experimental data: the extended-tube, and 

response function models. Among them, only the response function 

model does not require material parameters. From the material 

models requiring determination of material parameters the best 

one is the extended-tube model because it involves only four 

parameters and its derivation is physically-motivated. It is known 

that, for moderate strain, i.e. 200-250%, the 2-parameter Mooney- 

Rivlin model is most efficient. For small strain, i.e. about 150% 

and below, the neo-Hookean constitutive formulation should be 

used for three reasons: (a) it is physically-grounded, (b) it involves 

only one material parameter and (c) it is able to predict the material 

54 Infoplaner 01/2011


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CADFEM Engineering Services India 

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