Über den Versuch CAD und FEA zu verschmelzen

Autor: Alexandru Dadalau

22. Februar 2021, Lesedauer 15 min.

In einem früheren Blog-Artikel habe ich über die parallele Entwicklung der CAD- und FEA-Programme geschrieben.

Aus dem Erzählten könnte man unter anderem auch folgenden Schluss ziehen:

Am Anfang waren 3D-CAD-Programme zu teuer und zu langsam in der Anwendung. Dann wurden diese zur Selbstverständlichkeit.

FEA-Programme waren noch seltener und, wenn wir ehrlich sind, sogar noch bis zur Jahrtausendwende, nur selten und stark lokalisiert angewendet.

Darüber hinaus, die Hersteller von CAD-Programmen und die von FEA-Programmen waren stets unterschiedliche Häuser, die wenig miteinander zu tun hatten.

Irgendwann haben die CAD-Hersteller angefangen sich Gedanken über zusätzliche Märkte zu machen und haben die FEA für sich entdeckt. Langsam, aber sicher wurden immer mehr bereits vorhandene FE-Löser mit den jeweiligen CAD-Programmen verknüpft, sodass Daten (Geometrie, FE-Netz und -Ergebnisse) zwischen den zwei Welten ausgetauscht werden können. Die CAD-Oberflächen wurden um zusätzliche grafische Elemente zur FE-Modellerstellung und -Auswertung erweitert.

Diese historische Weiter-Entwicklung der CAD-Programme hatte zur Folge, dass plötzlich eine deutlich breitere Gruppe von Anwendern Zugang zur Welt der FE-Analyse hatte. Wenn ich mich an meine Industrieerfahrung vor 20 Jahren zurückerinnere, dann war es sogar in großen Maschinenbauunternehmen so, dass eine ganze Entwicklungsabteilung aus fünfzig CAD-Konstrukteuren bestand, aber nur aus einem einzigen FEA-Ingenieur. Und die absolute Mehrheit der anderen mittelständischen Unternehmen hatten gar keine FEA-Leute.

Dadurch wird deutlich, welche unsichtbare, stille Revolution durch die Erweiterung von CAD-Programmen mit FEA-Funktionen in Gang gesetzt wurde. Diese Revolution setzt interessanterweise bis heute ihre Entwicklung fort, daher bin ich mir nicht so sicher, ob ich das unbedingt als Revolution bezeichnen sollte. Jedenfalls ist dies eine langsame Revolution.

Jedoch hat die Einführung von FEA in die CAD-Welt auch einen anderen wichtigen Nebeneffekt gehabt: Die FEA-Hersteller wurden unter massiven Druck gesetzt. Davor war FEA ein Tool für die absoluten Spezialisten. Das waren in Unternehmen immer die Kollegen, von denen man sowieso nie verstanden hatte, was sie da so den ganzen Tag lang machen. Auf einmal konnte nun jeder, auch noch so FEA-unerfahrene Konstrukteur die „schönen bunten Bildchen“ erzeugen.

Als langjähriger ehemaliger FEA-Nerd, muss ich gestehen, dass auch ich am Anfang, wie viele Andere gedacht habe: Das kann nicht funktionieren. Heute jedoch hat sich der Markt, wie sich bei einem selbstorganisierenden System gehört, verfestigt. Die Anwender kennen die Grenzen der Anwendbarkeit und wenden die Software-Werkzeuge mit Vernunft an. Auf der einen Seite gibt es die Konstrukteure, die gelegentlich die CAD-Erweiterung für einfache FE-Analysen anwenden. Und sie sind sich mittlerweile sehr bewusst darüber, dass es Grenzen gibt und diese von der CAD-Erweiterung nicht überschritten werden können. Auf der anderen Seite gibt es immer noch die langjährigen FEA-Spezialisten. Manche Unternehmen beschäftigen dafür einen festangestellten FEA-Spezialisten. Viele anderen dagegen greifen auf externe Dienstleister zurück. "Die wissen was sie tun", um einen häufig gehörten Satz zu zitieren.

Nun komme ich auf die FEA-Hersteller zurück. Ich vermute, dass die Vorstöße aus dem CAD-Bereich bei ihnen ein gewisses Umdenken ausgelöst haben. Davor verstand sich die FEA als ein Tool der Experten. Nun musste man sich eingestehen, ob man es wollte oder nicht, dass diese Zeiten bald vorbei sein werden. Es begann eine Zeit der Modernisierung der grafischen Oberflächen der FEA-Programme. Ansys hat beispielsweise mit der Einführung von Ansys Workbench einen deutlichen Sprung geschafft, ungefähr vor 15 Jahren. Die grafischen Oberflächen der FEA-Programme werden heute immer mehr an die der CAD-Programme angelehnt, um diese den CAD-Anwendern möglichst schmackhaft zu machen.

Kurzum: CAD-Programme haben immer mehr FEA integriert, während FEA-Programme immer mehr CAD integriert haben.

Persönlich habe ich jedoch einen weiteren Punkt festgestellt, der für die weitere Entwicklung in diesen Bereichen von entscheidender Bedeutung sein dürfte: CAD-Erweiterungen sind nach wie vor einfachen Simulationsaufgaben gewidmet, reine FEA-Programme den Experten. Jetzt werden die ganzen FEA- und CAD-Hersteller empört aufspringen und mir widersprechen. Ich kann nur sagen: Setzen Sie sich wieder hin, so ist das gar nicht gemeint. Ich rede zunächst einmal nur von der subjektiven Wahrnehmung der Endanwender. Ich kenne diese sehr gut, weil ich mit vielen jeden Tag reden darf.

Wenn wir also zunächst einmal die Meinung der Anwender akzeptieren, dann stellt sich die Frage: Warum ist das denn so? Was unterscheidet eine CAD-Erweiterung für FE-Analyse von einer dedizierten FEA-Software? Und warum hält die Annäherung der CAD- und FEA-Programme so lange an? Wird diese Annäherung irgendwann konvergieren, so dass es nur noch CAX-Programme gibt, die beides wunderbar beherrschen?

Meine persönliche Meinung ist, dass die FEA ihrem Wesen nach beim Anwender viel Wissen voraussetzt. Ich meine damit nicht unbedingt FEA-spezifisches Wissen. Viel eher meine ich ein tiefes, technisches, mechanisches und physikalisches Verständnis.

Nun war die Strategie der CAD-Hersteller bei der Entwicklung von FEA-Erweiterungen von Anfang an diese: Benutzerfreundlichkeit durch Verzicht auf Features. Das ist in etwa dem ähnlich, was bei der Entwicklung der Smartphone-Apps im Vordergrund steht. Nun kann diese Strategie in der FEA-Welt nur begrenzt funktionieren. Solange die zu simulierende Aufgabe in den vorgegebenen Rahmen reinpasst, ist alles gut. Für alle andere Fälle benötigt man die Experten-Programme.

Bei den FEA-Herstellern auf der anderen Seite war die Entwicklungsstrategie ein "Aufhübschen" der grafischen Oberfläche bei gleichbleibendem Feature-Reichtum. Das ist toll für die FEA-Nerds, denn diesen bleibt ihre „alte“ Spielwiese erhalten. Bei den nicht so erfahrenen CAD-Anwendern bleiben jedoch viele Fragen offen und viel Unsicherheit in der Anwendung. Da geht es also eher um die Fragen, welche von den vielen Möglichkeiten darf ich, unter welchen Bedingungen, anwenden? Oder ganz grundsätzlich: Was darf ich mit dem Programm tun, und was darf ich nicht tun?

Wie man sieht, liegt die Schwierigkeit darin, dass ein FE-Programm nicht das nötige Verständnis ersetzen kann. Nur durch Verzicht auf Features, ist eben nicht alles gelöst.

Wo sehen wir uns als Meshparts also in dieser globalen Entwicklung? Nun, Meshparts ist aus dem Drang zum Umdenken geboren worden. Durch unsere spezielle Herangehensweise an die FE-Modellierung können unsere Kunden mehr Simulation mit weniger Spezialisten-Wissen machen. An der Stelle möchte ich nur kurz unsere FE-Modellbibliotheken und den CAD-Zwilling erwähnen. Dadurch kann sich der Anwender mehr auf die eigentliche Simulationsaufgabe konzentrieren. Jedoch sehen wir die Notwendigkeit die FEA strikt von CAD getrennt zu halten. Das mag überraschend klingeln aber bitte nicht falsch interpretieren. Wir möchten eine CAD-unabhängige Lösung anbieten, die perfekt mit jeder CAD-Software kommunizieren kann. Über den CAD-Zwilling erreichen wir eine perfekte Symmetrie zwischen FEA und CAD. Über die PDM-Anbindung lassen sich FE-Modelle automatisch erstellen. Änderungen am CAD-Modell werden automatisch ins FE-Modell übertragen.

Da ein Bild mehr als tausend Worte sagt, und ein Video sogar noch mehr, möchte ich abschließend das Ganze anhand eines Videos veranschaulichen. Im Folgenden sehen Sie die perfekte Symbiose zwischen einem CAD-Programm (SolidWorks in diesem Fall), Meshparts und RISTRA (dem GPU-basierten, Live-Solver des Fraunhofer IGD). Das Video wurde auf drei Bildschirmen aufgezeichnet; mit zwei würde es aber genauso gut funktionieren. Video abspielen

Das Interessante an diesem Video ist zum einen die Schnelligkeit mit der RISTRA auf der Grafikkarte rechnet. Zum anderen ist es so, dass der CAD-Anwender die ganze Zeit in seiner gewohnten CAD-Umgebung bleibt und die Spannungen im Bauteil auf einem anderen Bildschirm live beobachten kann. In diesem Sinne, freue ich mich wie immer auf Ihre Rückmeldung zum Artikel und bis zum nächsten Mal.

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