Simulation ist mehr als Software

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Weltmarktführer für Fahrzeugkrane stemmt Simulationsaufgaben mit Ansys

Ansys-Simulationen in der Kranentwicklung bei Liebherr

In Teil 1 der dreiteiligen Reihe zur Simulation mit Ansys und CADFEM im Liebherr-Werk geht es um generelle Aspekte. Er gibt einen Einblick, wie und weshalb Simulationen bei der Entwicklung riesiger Krane eingesetzt werden, was die Liebherr-Ingenieure dadurch erreichen und welche Anwendungen hinzukommen. In Teil 2 und 3 werden die Strukturmechanik und CFD näher beleuchtet.

Pionier und Weltmarktführer aus Ehingen

Wer sich nach Ehingen an der Donau begibt, sieht sie schon von Weitem in den Himmel ragen: die Masten und Ausleger der Liebherr-Mobilkrane. Sie wirken wie gigantische Giraffenhälse in einem Technikzoo. Seit der Werksgründung 1969 entwickelte sich das Unternehmen stetig weiter und ist heute Weltmarktführer bei Mobil- und Raupenkranen. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist der Einsatz von Ansys-Simulationstechnologie in Verbindung mit der Anwendungsberatung durch CADFEM.

>35
Jahre
Die Partnerschaft mit CADFEM rund um das Thema Simulation besteht seit Jahrzehnten.
3.800
Beschäftigte
Ehingen ist der größte Standorten der Liebherr-Gruppe.
1969
Standortgründung
Hans Liebherr selbst rief den Standort in Ehingen vor über 50 Jahren ins Leben.

Die Faszination Technik packt einen sofort beim Anblick eines Kranes. Die Größe und die Wirkung der Kräfte beim Bewegen der enormen Lasten zieht einen unweigerlich in den Bann. Seit der ersten Anwendung der genialen Hebezeuge im antiken Griechenland ist der Kran von keinem Großbauprojekt mehr wegzudenken. Findige Menschen haben seither die Krankonstruktion immer mehr verfeinert.

Idee von Hans Liebherr: Der fahrbare Turmdrehkran

Der typische Turmdrehkran, den heute jeder zuerst mit dem Wort „Kran“ assoziiert, ist 1949 von Hans Liebherr als „fahrbarer Turmdrehkran“ erfunden worden. Mit dieser Innovation legte er den Grundstein für den Erfolg seiner internationalen Firmengruppe.

Historische Aufnahme des ersten fahrbaren Turmdrehkrans.

F&E im Fokus

Im Liebherr-Werk Ehingen, kurz LWE, hat man sich auf mobile Krane spezialisiert. Hans Liebherr persönlich hat den Standort 1969 gegründet. Bis heute sind dort alle zugehörigen Kompetenzen vereinigt. Bei LWE werden vor allem zwei Arten von mobilen Kranen entwickelt und hergestellt: „All-Terrain-Krane“ und „Gittermast-Raupenkrane“. 

  • All-Terrain-Krane sind bereift, geländegängig und haben zumeist eine Straßenzulassung.
  • Bei einem Gittermast-Raupenkran erfolgt die Montage der Kranbaugruppen erst auf der Baustelle, bevor sich die Giganten mittels Raupenantrieb bewegen.

Die Sparte Mobil- und Raupenkrane gehört zu den umsatzstärksten der Gruppe. Über 3.500 Beschäftigte aus Forschung und Entwicklung, der Produktion sowie dem globalen Vertrieb und Service orientieren sich dort an den Bedürfnissen der Kunden. Die hochmodernen Teleskop- und Gittermastkrane sind auf Mobil- und Raupenfahrwerken montiert. Schon seit der Gründung legt Liebherr auf einen hohen technologischen Standard in Verbindung mit bester Qualität höchsten Wert. Deshalb wird intensiv in Forschung und Entwicklung investiert.

Schon seit der Gründung legt Liebherr größten Wert auf einen hohen technologischen Standard in Verbindung mit bester Qualität. Deshalb wird intensiv in Forschung und Entwicklung investiert.

 

Außergewöhnliche Projekte

Das ausgeprägte Wissen um bewegliche Tragwerkskonstruktionen von LWE ist in der internationalen Fachwelt anerkannt, weshalb immer wieder Sonderprojekte durchgeführt werden.

 

  • So konstruierte LWE für den Bau der Kurushima-Hängebrücken in Japan die dieselhydraulischen Schwerlastwinden zum Anheben der 30 m breiten und 540 t schweren Brückensegmente.
  • Ein anderes ungewöhnliches Projekt war die Realisierung von 250 Großflächenschirmen für die Piazza der Prophetenmoschee im saudi-arabischen Medina. Sie bilden das größte wandelbare Dach der Welt.
  • Krane von LWE sind auch gefragt beim Aufbau von gigantischen Windkraftanlagen wie im Windpark Holzhausen bei Paderborn. Souverän stellte der neue LR 1700-1.0 den vorgefertigten 96 Meter hohen Betonturm zur Anlage mit einer Nabenhöhe von 164 Metern auf. Die schwersten Komponenten dabei waren Maschinenhaus und Antriebsstrang mit Bruttolasten von 72 und 75 Tonnen.

Simulation elementar

Für die Umsetzung der vielseitigen Anforderungen ist die Verwendung von Simulationssoftware elementar. Viel zu langwierig und zu kostspielig gestalten sich Prototypen und Laboraufbauten. LWE nutzt die heute verfügbare Rechenleistung und modernste Simulationssoftware von Ansys für die digitale Transformation im Versuch. 

Für LWE geht es prinzipiell um die zwei großen Themenfelder der Simulation:Strukturmechanische Berechnungen (FEM) und Strömungsmechanik (CFD). Generell ist das Ziel bei der Entwicklung eines mobilen Krans, ein möglichst geringes Transportgewicht mit einer hohen Tragfähigkeit zu kombinieren. Dies zwingt einen unweigerlich zum Leichtbau, denn ein großes Verhältnis von Nutzlast zu Eigenlast ist das beste Verkaufsargument. Bei den Motoren, Fahrzeugführerkabinen und Hydraulik sind die Strömungsdaten für optimale Leistung und Komfort von Bedeutung.

 Niels Finkbeiner<br />Berechnungsingenieur Statik, Liebherr-Werk Ehingen GmbH
Niels Finkbeiner
Berechnungsingenieur Statik, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Uns bringt Simulation ein riesiges Einsparpotenzial an Kosten, Zeit und Arbeitsleistung und das schon in einer frühen Phase der Produktentwicklung.

Beispiel Seilrolle

Ein gutes Beispiel für den Vorteil von Simulation in der Entwicklung ist die Seilrolle.

  • Eine Seilrolle unterliegt im Betrieb einer hohen Belastung in Verbindung mit einer hohen Lastwechselzahl. Es muss sichergestellt sein, dass sie dem standhält.
  • Da es sich um eine geschweißte Seilrolle handelt, wäre zur Ermittlung der optimalen Variante eine Vielzahl an aufwändigen und kostenintensiven Versuchen notwendig.

Niels Finkbeiner, Berechnungsingenieur bei LWE im Bereich Statik, erbrachte den Betriebsfestigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie mit einer FE-Simulation in Ansys Workbench. Die kritischen Stellen wurden schnell ermittelt, trotz komplexer Vorgänge. Es zeigte sich nämlich, dass Querkräfte die Kerbe belasten. Ein Hinweis an die Konstruktion zur Änderung des Winkels der Ronde und eine Anpassung der Blechdicke genügte, noch bevor irgendetwas physikalisch in Erscheinung treten musste.

CADFEM erschließt Simulationsmöglichkeiten

Die Produktvielfalt von Ansys und das breite Anwendungsspektrum erfordert einen erfahrenen Partner. LWE setzt hier seit vielen Jahren auf CADFEM. Sowohl in der Anwendungsberatung als auch bei der Lösungsfindung und Ausbildung sind die Spezialisten aus Grafing bei München erste Wahl. 

Joachim Henkel leitet die Statik-Abteilung und schätzt neben der Softwarelieferung den professionellen Austausch.

Sollten wir bei der Berechnung einmal nicht weiterkommen, greift für uns die nächste wichtige Säule der Zusammenarbeit: der Support. Hier sind kompetente und schnelle Hilfen gefragt. Beides erhalten wir bei unserem Ansys-Partner CADFEM.  Selbstverständlich müssen unsere Leute geschult sein im Umgang mit der Software, damit wir möglichst effizient arbeiten können. Hier kommt uns CADFEM mit einer Liebherr-Flatrate für Seminare entgegen. Sehr wichtig ist uns auch die strategische Ausrichtung und die Beständigkeit unserer Partner. Liebherr ist langfristig orientiert. Mit Ansys und CADFEM verbindet uns eine über 35-jährige Kooperation. Für uns ist Ansys die beste Lösung in seiner Softwareklasse. Das hat sie in all den Jahren mehr als einmal bewiesen.“

 Joachim Henkel<br />Berechnungsingenieur und Leiter Statik, Liebherr-Werk Ehingen GmbH
Joachim Henkel
Berechnungsingenieur und Leiter Statik, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Mit Ansys und CADFEM verbindet uns eine über 35-jährige Kooperation. Für uns ist Ansys die beste Lösung in seiner Softwareklasse. Das hat sie in all den Jahren mehr als einmal bewiesen.

Leistungsfähige Infrastruktur gefordert

Umfangreichere Berechnungen, wie sie bei LWE häufiger vorkommen, benötigen entsprechende Rechenleistung und Simulationsexpertise. Thomas Lerner, Senior Simulation Engineer FE-Infrastructure, beschreibt die Anforderung:

„Der fortschreitende Detaillierungsgrad heutiger Modelle verlangt eine performante Simulationsumgebung mit leistungsfähiger Infrastruktur. Die Parallelisierung von Vorgängen, z. B. der Vernetzung oder der Berechnung, führt zu einer deutlichen Zeitersparnis. Der Simulationsingenieur kann in gleicher Zeit mehr Modellvarianten berechnen. Bei LWE ist deshalb schon früh ein leistungsfähiger und skalierbarer Rechencluster auf ausfallsicherer Basis installiert und in Betrieb genommen worden.

Für strukturmechanische Berechnungen stehen 144 Kerne für bis zu 12 parallele Berechnungen bereit. Der Umzug der lokalen Workstations ins Rechenzentrum hat den Prozess weiter beschleunigt. Beispielsweise sind dadurch die Transferzeiten von Rechenmodellen zwischen Workstation und Rechencluster um 30 bis 50 Prozent geringer“, so Thomas Lerner.

144
Kerne
Leistungsfähig. Skalierbar. Ausfallsicher. Das Rechencluster macht Simulationen noch effizienter.
30-50%
Schneller
Zeitgewinn durch das Cluster gegenüber Workstations.

Wachstum vorprogrammiert

Der technologische Fortschritt im produzierenden Gewerbe und in der Logistik erlaubt die Vorfertigung immer größerer und schwererer Komponenten von Bauteilen und Maschinen in der Fabrikhalle. Anschließend steht der Transport „am Stück“ an den Einsatzort an. Jeder kennt inzwischen die Schwertransporte mit ganzen Brücken oder kompletten Flügeln von Windenergieanlagen. Dieser Entwicklung wird das Liebherr-Werk Ehingen mit effizienter Simulationssoftware von Ansys gerecht.

Nur so ist die wirtschaftliche Entstehung immer leistungsfähigerer Krane möglich, die in der Lage sind, die gewaltigen Bauteile an Ort und Stelle für die Montage anzuheben.

 Thomas Lerner<br />Senior Simulation Engineer FE-Infrastructure, Liebherr-Werk Ehingen GmbH
Thomas Lerner
Senior Simulation Engineer FE-Infrastructure, Liebherr-Werk Ehingen GmbH

Die Parallelisierung von Vorgängen führt zu einer deutlichen Zeitersparnis. Der Simulationsingenieur kann in gleicher Zeit mehr Modellvarianten berechnen.

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.  

Lesen Sie im dritten Teil unserer LWE-Serie, wo und wie Strömungssimulationen die Zeitspanne bis zur Marktreife entscheidend verkürzen.  

Liebherr Werk Ehingen GmbH
www.liebherr.com

Autor: Thomas Löffler
Bilder: © Liebherr
Veröffentlicht: Juni 2022

Kontakt CADFEM

Enterprise Account Manager