Die ITB GmbH verfügt über Erfahrung in der numerischen Bewertung von Komponenten an Überwasserkampfschiffen, insbesondere im Hinblick auf ihre Schocksicherheit. Bauteile wie Drehflügelrudermotoren oder Flossenstabilisatoren müssen so ausgelegt werden, dass sie auch unter Schocklasten ihre Funktionsfähigkeit nicht verlieren. Ziel ist es, sicherzustellen, dass beispielsweise die Manövrierfähigkeit des Schiffs jederzeit erhalten bleibt.

Die maßgeblichen Belastungen ergeben sich aus transienten Schocklasten, die in mehreren Raumrichtungen wirken können, sowie aus Betriebslasten wie Öldruck oder hydrodynamischen Zusatzlasten, die etwa durch Wasserverdrängung an Ruderanlagen entstehen. Abhängig vom Einsatzzweck und der zu untersuchenden Komponente führen wir entweder konservative, quasistatische Berechnungen oder realitätsnahe transiente Schockanalysen mit zeitabhängigen Schockverläufen durch.

Die Bewertung erfolgt auf Grundlage der Bauvorschriften der Bundeswehr (BVO43 und BVO230) für Schocksicherheit. Ergänzend dazu werden Berechnungen gemäß VDI 2230 und der FKM-Richtlinie durchgeführt. Berücksichtigt werden dabei nicht nur das Grundmaterial, sondern auch alle kritischen Verbindungen und Schnittstellen – wie Schraubenverbindungen oder Dichtleisten. Im Rahmen der FEM-Simulationen untersuchen wir unter anderem die statische Festigkeit, das Verformungsverhalten, die Eigenfrequenzen, sowie Kraftverläufe infolge dynamischer Belastung.

Die Vorteile dieser Vorgehensweise liegen auf der Hand: Durch präzise FEM-Berechnungen lassen sich kritische Stellen im Bauteil frühzeitig identifizieren. Potenziell ungünstige Effekte – etwa Resonanzverhalten oder unzureichende Schraubenkräfte bei Schocklasten – werden erkannt und können noch in der Entwicklungsphase gezielt optimiert werden. Das verkürzt Entwicklungszeiten, senkt Kosten und verbessert die Qualität von Neu- und Weiterentwicklungen. Auch bereits bestehende Komponenten lassen sich im Hinblick auf neue Belastungsszenarien überprüfen und anpassen.

Die Dokumentation der Ergebnisse erfolgt wahlweise als prüffähiger technischer Bericht, z. B. zur Vorlage bei DNV GL, oder als Kurzdokumentation zur internen Verwendung. Inhalt und Format stimmen wir individuell mit unseren Kunden ab – für eine zielgerichtete, verständliche Darstellung der relevanten Ergebnisse.

Einführung in den Digitalen Zwilling

Ein zentrales Werkzeug dabei ist der Digitale Zwilling. Diese virtuelle Repräsentation eines realen Produkts ermöglicht eine umfassende Analyse, Steuerung und Optimierung über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Im Fall von Flugzeugtriebwerken eröffnet der Digitale Zwilling neue Perspektiven für die prädiktive Wartung – also die zustandsbasierte Instandhaltung. 

Doch ein Digitaler Zwilling kann nur so gut sein wie die Modelle und Daten, auf denen er basiert. Genau hier kommt unsere ingenieurtechnische Kompetenz ins Spiel. 

Projektbeispiel: Digitaler Zwilling für die Lufthansa Technik AG

Für die Lufthansa Technik AG haben wir einen Digitalen Zwilling eines Triebwerks entwickelt, der auf CFD- und FEM-Simulationen beruht und speziell auf die Anforderungen der prädiktiven Wartung zugeschnitten ist. Ziel war es, durch simulationsbasierte Analysen eine belastbare Abschätzung der voraussichtlichen Standzeit  zu ermöglichen und somit Kosten für die Standzeiten besser ermitteln zu können. 

Die Umsetzung erfolgte mit modernsten Simulationstools. Wir entwickelten einen durchgängigen Simulations-Workflow in Ansys® CFX und Ansys® Mechanical, organisierten und automatisierten die Abläufe mit optiSLang und erstellten ein Feld-Metamodell. Diese digitale Abbildung ermöglicht es, reale Flugdaten in vergleichsweise kurze Zeit auszuwerten – mit einer Genauigkeit, die fundierte Entscheidungen über notwendige Wartungsmaßnahmen zulässt. 

Fundierte Entscheidungsgrundlage durch Simulationsergebnisse

Die Ergebnisse der Simulationen liefern eine zusätzliche datenbasierte Entscheidungsgrundlage, um den Zustand einzelner Komponenten besser einschätzen und den Wartungsbedarf realitätsnäher prognostizieren zu können. 

Die Zusammenarbeit mit der Lufthansa Technik AG zeigt exemplarisch, wie digitales Engineering heute aussieht: disziplinübergreifend, datenbasiert und nah an der Praxis. In kommenden Beiträgen unserer neuen Reihe „ITB Insights – Engineering Excellence in Action“ werden wir in weitere Projekte und Branchen eintauchen. 

Bleiben Sie also gespannt – und folgen Sie uns für weitere Einblicke in die Welt des technischen Fortschritts. 

Die erfahrenen Ingenieure der ITB GmbH aus Dortmund entwickeln jetzt eine skalierbare und kosteneffiziente Lösung für Lichtsimulationen, die speziell auf den Bedarf von KMU zugeschnitten ist. Für dieses Projekt haben ITB Geschäftsführer Dr. Frank Brehmer und sein Team die Förderzusage des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) erhalten. Eine ebenfalls durch das BMWK geförderte Studie der ITB GmbH zur Machbarkeit ging dem Projekt voran.

„Unsere Lösung wird KMU zeit- und kosteneffizient Simulationen in allen Projektphasen der Produktentwicklung ermöglichen, die Produktqualität verbessern, und dafür sorgen, Innovationen in kürzerer Zeit am Markt zu platzieren“, erläutert Dr. Brehmer. Die neue Software erlaubt u.a. die Simulation der Wirkung derselben Lichtquelle in unterschiedlichen Umgebungen, die Optimierung der Energieeffizienz bei der Nutzung und berücksichtigt spezielle Normen für Lichtquellen, wie beispielweise bei der Beleuchtung von Fluchtwegen. Potential für das neue Tool sehen Dr. Frank Brehmer und sein Team vor allem in der Automobil-, Elektronik- und Möbelbranche sowie bei Herstellern von Haushaltsgeräten.

ITB GmbH auf der FMB
Zuliefermesse Maschinenbau
vom 08. – 10.11.2023 in Bad Salzuflen
Halle 20 Stand H4

Prototypen fertigen, Testszenarien kreieren, Messtechnik kalibrieren, nachjustieren, Fehler korrigieren, Optimierungen vornehmen: Auf physischer Ebene erfordert das alles einen hohen Zeit-, Material- und Kostenaufwand. Auf digitaler Ebene hingegen können diese Schritte deutlich effizienter und effektiver abgebildet werden. Mittels CFD-Berechnung kann die ITB GmbH hochpräzise Strömungsanalysen für fluidführende oder umströmte Bauteile durchführen – und so für unterschiedliche Anwendungen und Branchen frühzeitig wertvolle Erkenntnisse liefern.

Wissen, wie es läuft – bevor es läuft

Mit der numerischen Strömungsberechnung (CFD) hat die ITB ihr Dienstleistungsangebot von der Strukturmechanik hin zur Strömungsmechanik elementar erweitert. Die erfahrenen Ingenieure nutzen für die Strömungsanalyse von Bauteilen die professionellen und etablierten ANSYS Software-Produkte CFX und Fluent.

Strömungssimulation bildet eine wichtige Säule, um die Funktionsfähigkeit und die Eigenschaften fluidführender oder umströmter Bauteile zu ermitteln. Obwohl die Bauteildaten im frühen Entwurfs- oder Entwicklungsstadium nur digital vorliegen, kann die Simulation individuelle Strömungseigenschaften realitätsgetreu visualisieren und spezifisch analysieren.   

Frühzeitige Transparenz und Planbarkeit für Design und Funktion

Dank hochpräziser Strömungsanalyse werden wertvolle Daten und Erkenntnisse über Bauteile gewonnen, die  für ihre Weiterentwicklung, Optimierung, Funktionalität sowie Effizienz und Effektivität eine fundamentale Rolle spielen können. Ingenieure, Produktentwickler und Designer profitieren dabei von zuverlässiger Planbarkeit, schnellen und zielführenden Prozessen „ohne Umwege“ sowie einer Reduzierung von Kosten und Aufwand.

Unter diesen Aspekten können Produkte und Bauteile mit mehr Innovationskraft und erhöhtem Designanspruch entworfen und gefertigt werden. Die positiven Effekte der Strömungsanalyse kommen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen zum Tragen. Aerodynamische und hydrodynamische Eigenschaften aus der Automobil- und Luftfahrt- sowie Marine- und Offshore-Industrie sind dabei ebenso durch CFD ermittelbar, wie vielfältige Szenarien in der Energie- und Umwelttechnik. Ferner wird die numerische Strömungsberechnung für die Bauindustrie, die Medizin-, Chemie- und Prozesstechnik sowie im Verpackungs- und Produktdesign, bspw. von Haushalts- und Sportgeräten, genutzt.

Eindeutige Ergebnisse in unterschiedlichen Simulationsdisziplinen

Ein fluidführendes Heizungs- oder Klimasystem kann selbstverständlich nicht auf gleicher Grundlage wie ein umströmtes Flugzeugtragwerk oder eine Schiffsschraube simuliert werden. Unterschiedlichste Technologien, Funktionsweisen und Anwendungsgebiete deckt die ITB GmbH mit einer Vielzahl von Berechnungsdisziplinen ab – von transienter, stationärer und thermischer Strömungssimulation über die Darstellung von Turbomaschinen bis hin zur Fluid-Struktur-Interaktion.

Die ITB Kernkompetenz in der Finite-Elemente-Methode (FEM) bildet dabei eine wichtige Grundlage für das CFD-Verfahren, womit sich beide Kompetenzen wertschöpfend ergänzen. Durch Kopplung von FEM-Berechnungen und Strömungssimulationen können bspw. Faktoren wie Lasten oder Temperaturen in Fluid-Struktur-Interaktionen ermittelt werden. So entsteht, je nach Anforderung und Anwendungsbereich, ein ganzheitliches digitales Abbild von Bauteilen und Konstruktionen sowie deren aerodynamischen, hydrodynamischen und thermodynamischen Eigenschaften.

„Eine kommerzielle Software zur Lichtsimulation, die sich für einen Großteil der KMU rentieren würde, gibt es aktuell nicht. Die hohen Kosten für Anschaffung und Programmierung schrecken viele Unternehmen ab. Das bremst die Innovationskraft der KMU. Ziel ist es, eine kosteneffiziente Lösung zu entwickeln, die auch kleineren Unternehmen den Einsatz von Lichtsimulationen ermöglicht,“ erläutert Dr. Frank Brehmer, geschäftsführender Gesellschafter der ITB Ingenieurgesellschaft für technische Berechnungen mbH. In einer Studie untersucht die ITB GmbH die Machbarkeit einer einfach skalierbaren, automatisierten Lösung für Lichtsimulationen, die schnell und kostengünstig auf unterschiedliche Anwendungsfelder übertragen werden kann.

Für dieses Projekt haben die Ingenieure aus Dortmund jetzt die Förderzusage des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) erhalten, das mit dem Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) anspruchsvolle Forschungs- und Entwicklungsprojekte mittelständischer Unternehmen mit hohem Innovationsgehalt unterstützt.

Dr. Frank Brehmer und sein Team sind Spezialisten für Bauteilanalysen und Bauteilnachweise mit Hilfe von FEM-Berechnungen. Seit der Gründung im Jahr 2004 hat die ITB über 2.700 internationale Projekte in unterschiedlichen Branchen umgesetzt. Die erfahrenen Ingenieure unterstützen ihre Kunden in der Konzeptphase und im gesamten Produktentwicklungsprozess. Im Jahr 2019 haben sie das Innovationsprojekt „Digitaler Zwilling“, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), erfolgreich realisiert.