- was ist das?

ANSYS , ein "ANALYSING SYSTEM", arbeitet mit der Methode der finiten Elemente. Wenn man den Begriff Finite-Elemente-Methode erwähnt, so erntet man als Reaktion oft ein mitleidiges Lächeln bzw. Unverständnis, wie man sich für so etwas begeistern kann. Zugegeben, bis es so richtig Spaß macht, muß man eine Durststrecke von mindestens einem Vierteljahr Einarbeitungszeit überwinden. Dies begründet sich vor allem darin, daß man das Konzept dieser FEM-Software verstanden haben sollte und lernen muß, sein physikalisch technisches Problem aus einem etwas anderen Blickwinkel zu betrachten.

Für alle diejenigen, die sich noch gar nichts unter einem FEM-Programm vorstellen können, sei hier ein (extrem) kurzer Abriß gegeben:
Die Zeiten der kryptischen Eingaben sind bei ANSYS inzwischen vorbei, das Programm verfügt über ein grafische Oberfläche (Motif), kann aber aber auch mittels einer Kommandozeile oder im "Batch-Mode" bedient werden.
Im Preprocessor gibt man interaktiv die Geometrie (1- bis 3-D) seines Modells ein oder importiert diese aus einem anderen CAD-Programm. Das Modell wird nun vom Rechner in viele finite Elemente unterteilt (auch Vernetzung oder "meshing" genannt). Hervorzuheben ist, daß diesbezüglich einige deutliche Verbesserungen in der nun vorhandenen ANSYS-Version 5.3 implementiert wurden.
Die finiten Elemente besitzen in ANSYS eine fest implementierte, auf das jeweilige Problem zugeschnittene Ansatzfunktion (d.h. man verwendet für verschiedene Probleme unterschiedliche finite Elemente!), die die Differentialgleichungen des Modells innerhalb des Bereiches des finiten Elementes annähern.

Die Elemente werden von sogenannten Knoten begrenzt, welche i. A. zu mehreren Elementen gehören. An der Geometrie werden nun die Randbedingungen definiert. Das bedeutet, daß festgelegt wird, wo der Körper gelagert ist, welche (thermischen/elektrischen) Potentiale anliegen usw. Außerdem werden die Lasten (Kräfte, Ströme, ...) in gleicher Art und Weise, selbstverständlich auch zeitabhängig, definiert. Die Randbedingungen und Lasten werden anschließend auf die Knoten bzw. finiten Elemente transformiert.

Der Klassiker: Berechnung eines Biegebalkens

Damit sollte das Modell vollständig beschrieben sein und kann vom Solver berechnet werden. Die physikalischen Größen werden dabei bezüglich der Knoten bzw. der Elemente berechnet. Die Berechnung geschieht automatisch in iterativen Zyklen und kann zwischen einigen Sekunden und vielen Stunden dauern. Auch hier hat sich in der neuen ANSYS-Version einiges verbessert!
Am Ende werden die Daten im Postprocessor ausgewertet. Es stehen in ANSYS dafür ein Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung: ASCII-"Listing", Vektor- und Skalardarstellungen des ganzen oder eines Teilmodells, Modellschnitte u. v. m.

Eine wesentliche Stärke von ANSYS ist die Möglichkeit, verschiedenste physikalisch-technische Problembereiche berechnen und sogar miteinander verkoppeln zu können. Ursprünglich wurde ANSYS für mechanische Probleme entwickelt. Es kann aber inzwischen beispielsweise genauso gut Probleme aus den Bereichen Thermodynamik, Strömungsmechanik, Elektrotechnik und Akustik lösen. Anhand der Arbeiten an unserer Professur läßt sich die Vielfältigkeit von ANSYS recht gut demonstrieren:

Wir beschäftigen uns u. a. mit Ultraschallwandlern auf der Basis von piezoelektrischen Folien.
Bei unseren FEM-Rechnungen simulieren wir dabei das elektrische Feld zwischen den Folieelektroden, den reziproken piezoelektrischen Effekt (Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Deformation), die mechanische Deformation der Ultraschallwandler, den daraus entstehenden Ultraschall sowie dessen Ausbreitung im Raum innerhalb einer einzigen Simulation. Dabei ist es möglich, sowohl statische, harmonische, als auch transiente Simulation durchzuführen.

Die nebenstehende Animation zeigt (nur in der WWW-Ausgabe) als Beispiel das Ergebnis einer solchen FEM-Berechnung. Sie stellt die Ausbreitung eines Schallimpulses dar, der von einem 3-Element-Ultraschallwandlerarray gerichtet in den Raum abgestrahlt wird.

Ausbreitung eines Schallimpulses

Bei diesen sehr speziellen und komplexen Berechnungen kann es passieren, daß man irgendwann an die Leistungsgrenze von ANSYS stößt. Einfachere, "normale" Probleme lassen sich aber sehr gut schon auf einem PC (unter Windows NT) lösen. Komplexere Probleme sollten dagegen den meistens wesentlich besser ausgestatteten Workstations vorbehalten sein. (Man sollte sich evtl. von seinen Vorstellungen von benötigter Hardware lösen können ...)

Am Schluß möchte ich unbedingt noch erwähnen, daß die vorhandenen Hochschulversionen (besonders die Research Feasility Version) durchaus leistungsfähig und durch die Campuslizenz recht preisgünstig ist.