Versuch vs. Simulation – die unendliche Geschichte, wer nun Recht hat

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Abbildung-1-Teststand-Ventilator

Seit ich mich mit der Simulation beschäftige, gibt es diesen Streit zwischen den Testingenieuren und den Simulationsingenieuren.

Die Testleute behaupten, dass die Simulation nicht genau genug ist, manche Simulationsverfechter behaupten, dass es in Zukunft keine Tests mehr braucht und alles über die Simulation abgesichert werden kann.

Beide streiten sich um einen anscheinend begrenzt großen Kuchen und haben Angst, dass ihnen die Gegenseite die Wurst vom Brot klaut.

Abbildung 1 Teststand Ventilator

Schauen wir uns beide Seiten etwas genauer an, wobei wir schon beim wichtigen Thema Genauigkeit sind.

Wenn ich einen Fehler bestimmen möchte, auf was beziehe ich mich dann?

Simulation

Die reale Geometrie der Bauteile weicht in der Regel von den CAD-Modellen ab, damit ist aber bereits die Geometrie des CAE -Rechenmodells fehlerbehaftet.

Die Physik wird in den CFD-Softwaresystemen zwar immer besser abgebildet, es ist jedoch eine Näherungslösung. Dazu kommt der Einfluss der Randbedingungen, die ebenfalls oft idealisiert sind.

Abbildung 2 CFD Strömungsanalyse des Laufrades mit Ablösegebieten an den Schaufeln

Versuch

Aber auch der Test hat seine Tücken:

Allein die Spalte eines Verdichters weichen vom CAD-Modell teilweise erheblich ab, haben aber einen gravierenden Einfluss auf Wirkungsgrad und Kennlinien. Die Messungen erfolgen punktuell, schon die Bestimmung des Volumenstroms ist ein gemittelter Wert, der davon ausgeht, dass die Strömungsverhältnisse über den Rohrquerschnitt konstant sind. Messungenauigkeiten und Messfehler sind ebenfalls an der Tagesordnung.

Diskrepanzen

Oft sehen wir bei großen Diskrepanzen, dass das Modell, welches wir in der Rechnung untersuchen und das Versuchsmodell für den Test große Abweichungen allein in der Geometrie besitzen, weil andere Bauteile verbaut wurden, z.B. beim Versuch ein anderer Diffusor eingesetzt wurde.

Aber nicht nur im Bereich der Strömung kommt es zu Diskrepanzen zwischen Versuch und Simulation.

Bei Finite-Elemente-Berechnungen ist bereits das Werkstoffverhalten eine Annahme, die irgendwann anhand von (fehlerbehafteten?) Versuchen bestimmt wurde. Die Werkstoffkennwerte streuen mit der verwendeten Charge und sind nur Mindestwerte.

Abbildung 3 Nachrechnung der Versuchsanordnung mit CFD, Darstellung der Druckverteilung

Größenordnung der Fehler

Meine langjährigen Erfahrungen zeigen mir, dass die Fehler sowohl im Versuch als auch bei der Simulation etwa in der gleichen Größenordnung liegen. 3-5% ist hier in beiden Fällen ein guter Wert.

Sowohl Versuch als auch Rechnung haben Ihre Stärken und Ihre Schwächen.

Bei beiden setzen wir zudem ein Szenario voraus, welches ebenfalls nur eine konservative(?) Annahme für den Einsatz der Bauteile in Realität ist.

Das Problem – Kommunikation

Das Problem ist, dass Testingenieure und Berechnungsingenieure unterschiedliche Sprachen sprechen.

Wir ziehen es daher vor, als Simulationsingenieure auch den Testaufbau nach Möglichkeit in der Realität anzuschauen.

Oft entpuppt sich dann wie in einem konkreten Fall der Versuchsträger einer Elektronik, den wir in unserem Simulationsmodell als Alu-Druckgussteil (Angaben des CAD-Modells) angenommen haben, als gefrästes Teil aus Reinaluminium. Leider unterscheiden sich die Wärmeleitzahlen hier um den Faktor 2. Kein Wunder also, wenn sich bis zu 40% Unterschied bei der Spitzentemperatur zwischen Simulation und Versuch ergeben.

Fazit:

Zurück zur Ausgangsfrage: Beide haben Recht.

Versuch und Simulation ergänzen sich. Beide sind fehlerbehaftet, beide haben ihre Stärken und Schwächen.

Der Versuch dient oft als Nachweis, um den man nicht herumkommt.

Die Simulation ist schneller und kostengünstiger bei Varianten und Optimierungen, bietet einen besseren Einblick in die Physik … und braucht Werkstoffdaten und Fluiddaten, die aus dem Versuch kommen.

Setzen wir Versuch und Simulation jeweils am richtigen Ort ein und sorgen dafür, dass sich beide Seiten unvoreingenommen austauschen, können wir schneller und effizienter neue, sichere Bauteile entwickeln.

Ihr Stefan Merkle

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