CFD-Simulationen in der Kranentwicklung bei Liebherr
Im dritten Teil der Serie über die numerische Simulation im Liebherr-Werk Ehingen geht es um Strömungsberechnung – kurz: CFD. Hydraulik, Pneumatik oder Klimatisierung sind Anwendungsgebiete einer Simulationsdisziplin, die viele nicht sofort in Verbindung mit der Kranentwicklung bringen. In Teil 1 und 2 wurden die Simulation an sich und das Thema Mechanik beleuchtet.
CFD-Analysen in der Kranentwicklung
FEM- und Statik-Berechnungen in Verbindung mit einer Krankonstruktion leuchten sofort ein. Für das Liebherr-Werk Ehingen ist aber gerade auch die Strömungssimulation ein entscheidender Faktor, wenn es um die Optimierung von Prozessen und die Verbesserung von Qualität geht.
Jeder Mobilkran verfügt über einen Motor und einen hydraulischen Antrieb mit einer Fülle von Strömungsaufgaben und zahlreichen temperatursensiblen Steuerungen und Sensoren. Die weltweite Verwendung in zum Teil extremen Klimazonen muss dennoch gewährleistet bleiben. Das betrifft ebenfalls Fragen zum Komfort in der Fahrerkabine, auf die CFD-Analysen eine Antwort haben.
- Der Markttrend bei Mobilkranen geht in Richtung immer leistungsfähigere, kompaktere Modelle mit mehr Traglast.
- Gleichzeitig sind kraftstoffsparsamere und umweltfreundlichere Geräte gefordert, die selbstverständlich aktuelle Vorgaben zur Abgasreinhaltung erfüllen.
- Jedes Aggregat, das z. B. für die Klimatisierung genutzt wird, sollte in puncto Platz und Gewicht optimiert sein.
Parallel verkürzt sich die Zeitspanne von der ersten Idee bis zur Übergabe eines neuen Kranmodells immer mehr (Time-to-Market). Die Entwicklung neuer Krantypen hat oftmals direkte Auswirkungen auf die begleitenden CFD-Themen. Versuchs- und Simulationsergebnisse eines Vorgängermodells helfen nur bedingt. Meist sind Neuberechnungen notwendig, da neue Leistungshorizonte erreicht werden.
Schnelle Antworten gefordert
Helmut Späth ist im Liebherr-Werk Ehingen für CFD-Simulation verantwortlich. Er schildert die Herausforderungen:
"Es gab und gibt bei den aktuell in der Neuentwicklung befindlichen Krantypen eine ganze Reihe von Anfragen aus den Konstruktionsabteilungen zu den Themen Motorluftansaugung, Motorkühlung, Abgasströmung, Kühleranordnung, Hydraulikansaugung und -tankströmung. Idealerweise werden die 3D-CAD-Modelle dafür in der Konstruktionsabteilung für die CFD-Simulation vorbereitet."
“Unser Ziel in der CFD-Simulation ist es, dem Konstrukteur so schnell wie möglich eine Antwort auf seine Fragen zu geben. Diese betreffen z. B. das Verhalten bei bestimmten Temperaturen, Drücken und Luftgeschwindigkeiten und die Wahl der dazu passenden optimalen Konstruktionsvariante aus der Vielzahl der Möglichkeiten. Generell geht es um die Frage, wie eine Baugruppe weiter optimiert werden kann. Der Geschwindigkeitsfaktor bei der Beantwortung der Fragen ist der Schlüssel zur erfolgreichen Anwendung der Simulation, da sich die Entwicklungszeit durch die Simulation nicht verlängern soll.”
“Nur ein zügiger Simulationsprozess, mit einer sehr schnellen Durchführung von CAD-Modell-Aufbereitung, Vernetzung und Simulation, erlaubt das virtuelle Testen mehrerer Varianten zur Optimierung des Systems. Ist dieser Prozess zu langsam, hat die Simulation nur die Funktion einer Bestätigungsrechnung an freigegebenen Baugruppen. Der Aufwand, eine einmal freigegebene Baugruppe zu ändern, ist wesentlich höher, als eine untaugliche Variante im Vorfeld zu verwerfen, weil wir dann im Gesamtentwicklungsprozess schon wieder viel weiter fortgeschritten sind. Deshalb versuchen wir dies mit CFD-Simulation zu vermeiden.”
Entscheidung bestärkt
Die Entscheidung für Ansys als Simulationssoftware ist von der Liebherr Gruppe konzernweit getroffen worden. Die bei LWE für die Strömungssimulation eingesetzte Software Ansys-SpaceClaim, Ansys-Fluent und weitere Ansys-Tools wurden im Rahmen der mit CADFEM als Ansys-Partner getroffenen Konzernvereinbarung als Entwicklungstools ausgewählt. Helmut Späth zeigt sich zufrieden:
„Ansys Fluent wird in mehreren Werken der Liebherr-Gruppe verwendet. Ich erhalte von dort ebenfalls positive Rückmeldungen, sodass wir uns in der Entscheidung bestärkt sehen. Darüber hinaus verwenden etliche unserer Dienstleister und Zulieferer Ansys Fluent. Die Gründe für den starken Zuspruch sehe ich im beeindruckenden Funktionsumfang und der gelungenen Unterstützung von CADFEM. Wir wissen genau, sollten wir einmal nicht weiterkommen, greift der bewährte Support von CADFEM.“
Die typischen CFD-Analysefelder
- Beim Fahrzeugmotor interessieren die Fragen rund um das Strömungsverhalten von Luftansaugung, Abgasreinigung und Abgasabführung.
- Bei der Hydraulik steht die Optimierung von Druckverlusten, das Ansaugverhalten und die Luftabscheidung im Tank im Mittelpunkt.
- Weiterhin gilt es, das Aggregat und die Hydraulik, sowie Kühlwasser, Ladeluft, Getriebeöl und temperatursensible Steuergeräte und Sensoren insbesondere in heißen Klimazonen mit Luftströmung zuverlässig zu kühlen bzw. vor Überhitzung zu schützen. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber extremem Klima, erhöht den regionalen Einsatzbereich und beschleunigt die Einsatzbereitschaft auch bei Tiefsttemperaturen, da Funktionen wie Vorheizen optimiert werden können.
- Außerdem sind Komfortfragen sowohl für das Fahrerhaus des Krans beim Fahren auf der Straße als auch in der Krankabine im Oberwagen bei Heben von Lasten zu klären. Beide brauchen je nach Umgebungstemperatur einen angenehm geheizten bzw. gut gekühlten Arbeitsplatz, um die Schwerlastaufgabe hoch konzentriert und sicher durchführen zu können.
- Hinzu kommt die Vermeidung von Lärm und das Beschlagen oder Vereisen von Scheiben. Als vertiefende Beispiele für CFD-Verwendung haben wir nachfolgend zwei Anwendungsfälle herausgegriffen, die einen Einblick in die Analysen geben.
CFD-Anwendungsfall Ölkühler
In einem der in der Entwicklung befindlichen Krane wurde eine optimale Position für den Ölkühler gesucht und gefunden. Zuerst ist der Ölkühler zuzüglich Umhüllung in Ansys SpaceClaim nachmodelliert und in die drei Volumenelemente Gehäuse, Kühlerbereich und Lüfter unterteilt worden. Anschließend erfolgte die Abbildung des Kühlers als poröse Zone mit Heizleistung entsprechend den Herstellerangaben. Dann kam die Modellierung des Lüfters als „3D-Fan-Zone“ gemäß der Lüfterkennlinie des Zulieferers.
Gesucht wurde die Einbauvariante mit der größten Kühlleistung, weil damit ein Kran in heißer Umgebung am längsten voll arbeiten kann. Mittels Simulation folgte nun die Prüfung einer ganzen Reihe von verschiedensten Einbauorten und -varianten.
Die optimale Position ist mit Ansys schnell und zuverlässig gefunden worden. In manchen Fällen war der Durchfluss Q kleiner, weil die Umgebung mehr Widerstand ergab. In anderen Fällen war der Durchfluss hoch, aber die Temperaturdifferenz war geringer, weil sich ein Teil der Kühlerluft von hinter dem Kühler wieder vor den Kühler bewegte. Die optimale Anordnung ohne die Hilfe von Simulation zu ermitteln, wäre schon deshalb unmöglich, weil die Luftdruckverhältnisse am Fahrzeug bei den unterschiedlichsten Positionen und Fahrgeschwindigkeiten sehr verschieden sind. Die schiere Menge an Varianten erfordert Software-Unterstützung.
CFD-Anwendungsfall Dieseloxidationskatalysator
Eine weitere Aufgabe war die Erbringung des Nachweises, dass die Gleichverteilung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Strömungsquerschnitt bei der Durchströmung des DOC (Dieseloxidationskatalysator, engl.: diesel oxidation catalytic converter) über dem geforderten Uniformity-Index von UI = 94 % liegt. Ansys CFD löste auch diese Aufgabe souverän, wie die Abbildung zeigt.
Wertvolle Funktionen
Helmut Späth sieht die Vorteile in der Vielfältigkeit von Ansys Fluent:
„Geschwindigkeit, Druck und Temperatur, Richtungsvektoren der Strömungsgeschwindigkeit, Strömungslinien, Wanddarstellungen mit Oberflächennetz und natürlich beliebige Kombinationen daraus lassen sich leicht ermitteln. Mit den Ansys-Simulationswerkzeugen können wir den Kollegen aus der Konstruktion schnell und anschaulich darstellen, wie sich die Strömungsverhältnisse auf das jeweilige Modell in der Realität auswirken werden.“
CFD-Simulation von hohem Wert
Die Vorteile der Simulationssoftware Ansys Fluent für LWE liegen für Helmut Späth auf der Hand:
„Ohne CFD-Simulation gibt es in der Konstruktionsphase auf viele Fragen keine Antwort. Als wir noch keine hauseigene Strömungssimulation durchführen konnten, sind komplexe CFD-Fragen extern vergeben worden. Einfachere Fragen wurden bis zur Prototypeninbetriebnahme zurückgestellt und erst dann offenbar. Dies kostete Zeit und Geld. Wir wollen einfach keine bösen Überraschungen mehr beim Prototypentest erleben. Beginnen dann erst die Änderungskonstruktionen bedeutet das Zusatzaufwand und Projektverzug.
Ansys bewahrt uns davor. Bereits schon bei mittelfristiger Betrachtung der Nutzung von Ansys-CFD-Analysesoftware ergibt sich eine Nutzensteigerung bei den Produkten und eine Kostensenkung. Durch den Aufbau eines eigenen CFD-Analysebereichs sind wir in der Lage, werkseigenes Know-how zu entwickeln. Die Konstruktionsabteilungen fragen nun häufiger nach CFD-Simulationen an und wir können diese einfacher, schneller und unbürokratischer abwickeln, als es bei externen Dienstleistern möglich wäre. Das verbessert die Qualität und macht uns flexibler und unabhängiger. Eigene, schnell ermittelte CFD-Simulationsergebnisse stellen für das Liebherr-Werk Ehingen einen hohen Wert dar.“
Der erste Teil der Serie gibt einen Gesamtüberblick über die Simulation im Liebherr-Werk-Ehingen.
Lesen Sie im zweiten Teil, wie LWE es mit strukturmechanischen Berechnungen schafft, scheinbare Gegensätze zu überwinden und erfahren Sie im dritten und letzten Teil unserer LWE-Serie, wie CFD-Simulation die Zeitspanne bis zur Marktreife entscheidend verkürzt.
Liebherr Werk Ehingen GmbH
www.liebherr.com
Autor: Thomas Löffler
Bilder: © Liebherr
Veröffentlicht: Juni 2022
