Was ist Systemsimulation, und warum ist sie wichtig?

Bei der Entwicklung komplexer technischer Systeme gilt es, Leistung, Effizienz, Zuverlässigkeit und Kosten gegeneinander abzuwägen – oft unter hohem Zeitdruck. Ob es um die Konzeption eines Wärmemanagementsystems, die Optimierung von Hydraulikkreisläufen oder die Entwicklung eines elektrifizierten Antriebsstrangs geht: Ingenieure müssen verstehen, wie verschiedene Komponenten zusammenwirken, bevor sie mit der Fertigung physischer Prototypen beginnen.

Hier kommt die 1D systemsimulation ins Spiel. Sie ermöglicht es Ingenieuren, das Verhalten eines gesamten Systems anhand mathematischer Darstellungen seiner Komponenten und der sie verbindenden physikalischen Prozesse zu modellieren. Anstatt sich auf die detaillierte dreidimensionale Geometrie zu konzentrieren, befasst sich die 1D-Simulation damit, wie Energie, Masse und Signale im Laufe der Zeit durch ein System fließen.

Durch die Simulation dieser Wechselwirkungen können Ingenieurteams die Leistung vorhersagen, Betriebsbedingungen untersuchen und Konstruktionsalternativen bereits in einer frühen Entwicklungsphase bewerten. Dies hilft dabei, potenzielle Probleme zu erkennen, die Abhängigkeit von kostspieligen physikalischen Tests zu verringern und fundiertere Konstruktionsentscheidungen zu treffen.

Im Gegensatz zur 3D computational fluid dynamics (CFD) oder zur finite element analysis (FEA), bei denen in der Regel detaillierte lokale Phänomene untersucht werden, konzentriert sich die 1D-Simulation auf das Gesamtverhalten des Systems. Sie ergänzt zudem physikalische Versuche: Die Simulation untersucht eine Vielzahl von Szenarien, während Experimente dazu beitragen, Modelle zu validieren und die Leistung unter realen Bedingungen zu bestätigen.

Von der Konzeptentwicklung und der Auswahl der Architektur bis hin zur Detailplanung und Systemoptimierung kann die 1D-Simulation Entscheidungen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg unterstützen. Ihr Nutzen ist besonders groß, wenn die Wechselwirkungen zwischen den Komponenten die Gesamtleistung bestimmen.

Eine ausführlichere technische Einführung finden Sie in unserem Artikel zur 1D-Systemsimulation. Außerdem können Sie sich über die Vorteile der Simulation in der Produktentwicklung informieren.

Wo können Ingenieure die 1D-Systemsimulation einsetzen?

Systemsimulationen kommen überall dort zum Einsatz, wo miteinander verbundene Komponenten das Verhalten eines größeren technischen Systems beeinflussen. Ihre Stärke liegt darin, diese Wechselwirkungen über verschiedene physikalische Bereiche hinweg zu erfassen.

In der Automobil- und Mobilitätstechnik können Ingenieure Antriebsstränge, das Batteriewärmemanagement, Bremssysteme und thermische Netzwerke von Fahrzeugen modellieren. Simulationen helfen dabei, den Energieverbrauch, die Dimensionierung der Komponenten und die Leistung unter verschiedenen Fahrbedingungen zu bewerten, einschließlich der Auswirkungen der Elektrifizierung.

In der luft-und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich, können Systemmodelle die Kraftstoffversorgung, die hydraulische Ansteuerung, das Wärmemanagement und die Klimatisierungssysteme abbilden. Ingenieure können damit das transiente Verhalten, die Betriebsgrenzen und die Auswirkungen sich ändernder Betriebsbedingungen untersuchen.

Im Bereich der industriemaschinen und der Fertigung lassen sich hydraulische und pneumatische Kreisläufe, Fluidnetze und elektromechanische Systeme analysieren, um Reaktionszeiten, Effizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern. Simulationen können zudem dabei helfen, Druckverluste, instabiles Verhalten oder eine unzureichende Dimensionierung von Bauteilen zu diagnostizieren.

Die Energie- und Prozessindustrie profitiert von der Modellierung von Heiz- und Kühlkreisläufen, Wärmetauschern, Kälteanlagen und Energieumwandlungsprozessen. Ingenieure können so die Energieeffizienz, Regelungsstrategien und die Leistung bei unterschiedlichen Lasten bewerten.

Der Ansatz eignet sich zudem für Anwendungen in der Schifffahrt, im Schienenverkehr und in der Gebäudetechnik – von Antriebs- und Bordkühlungssystemen bis hin zu HLK-Anlagen und der Energieverteilung.

In all diesen Bereichen gehören zu den gängigen Anwendungsbereichen die Vorhersage der Systemleistung, die Dimensionierung von Komponenten, die Bewertung von Regelungsstrategien, die Analyse von transienten Ereignissen sowie die Untersuchung von Konstruktionsalternativen vor dem Bau von Prototypen.

Welches Modell geeignet ist, hängt von der zu untersuchenden Fragestellung ab. Ingenieure verwenden in frühen Architekturstudien möglicherweise vereinfachte Darstellungen und erhöhen dann den Detaillierungsgrad des Modells, sobald die Konstruktionsanforderungen klarer werden. Das Ziel besteht nicht darin, jedes physikalische Detail nachzubilden, sondern das Verhalten zu erfassen, das für eine zuverlässige technische Entscheidung erforderlich ist.

So wählen Sie die beste Simulationssoftware für 1D-Systeme aus

Es gibt kein allgemein als das beste geltendes Simulationswerkzeug für 1D-Systeme. Die richtige Wahl hängt von Ihren technischen Zielen, den zu modellierenden Systemen und davon ab, wie sich die Simulation in Ihren bestehenden Entwicklungsprozess einfügt.

Berücksichtigen Sie bei der Bewertung von Software die folgenden Kriterien.

1. Anwendungsspezifische Eignung und physikalische Bereiche
Ermitteln Sie zunächst, welche Systeme Sie simulieren müssen. Beziehen sich Ihre Projekte auf Strömungsmechanik, thermische Prozesse, mechanische Bewegungen, elektrische Netzwerke oder eine Kombination daraus? Prüfen Sie, ob die Software die erforderlichen physikalischen Bereiche unterstützt und geeignete Komponenten, Modelle und Bibliotheken bereitstellt. Die Fähigkeit zur Simulation mehrerer Bereiche ist besonders wichtig, wenn Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Disziplinen die Gesamtleistung des Systems bestimmen.

2. Modellgenauigkeit und Rechenleistung
Das Modell muss die für Ihre ingenieurwissenschaftliche Fragestellung relevante Physik ohne unnötige Komplexität abbilden. Bewerten Sie die verfügbaren Modellierungsansätze, numerischen Löser und Optionen zur Anpassung der Modellgenauigkeit. Prüfen Sie, ob das Tool schnelle Transienten, steife Systeme, Langzeitsimulationen und große Modelle innerhalb akzeptabler Laufzeiten bewältigen kann.

3. Integration in Ihren bestehenden Arbeitsablauf
Simulationssoftware sollte mit Ihrer gesamten technischen Umgebung kompatibel sein. Prüfen Sie die Unterstützung für CAD, 3D-Simulation, Regelungsentwicklung, Testdaten und andere relevante Werkzeuge. Die Kompatibilität mit Standards wie dem Functional Mock-up Interface (FMI) – sofern unterstützt – kann zudem den Modellaustausch und die Co-Simulation erleichtern.

4. Skalierbarkeit und Zusammenarbeit

Ein Tool, das für die Untersuchung einzelner Komponenten geeignet ist, reicht für die Entwicklung auf Systemebene möglicherweise nicht aus. Überlegen Sie, ob Modelle wiederverwendet, erweitert und team-, projekt- und produktvariantenübergreifend gemeinsam genutzt werden können. Modellmanagement, Automatisierung und die Integration in Optimierungs- oder virtuelle Validierungs-Workflows könnten zunehmend an Bedeutung gewinnen, je weiter sich die Simulation in Ihrem Unternehmen etabliert.

5. Benutzerfreundlichkeit und erforderliches Fachwissen

Bewerten Sie die Einarbeitungszeit, die Dokumentation, die Schulungsressourcen und den verfügbaren Support. Eine grafische Modellierungsumgebung kann Ingenieuren helfen, Modelle effizient zu erstellen, während fortgeschrittene Anwender möglicherweise Skriptfunktionen, die Entwicklung benutzerdefinierter Komponenten oder den Zugriff auf zugrunde liegende Gleichungen benötigen. Berücksichtigen Sie das bereits in Ihrem Team vorhandene Fachwissen und den erforderlichen Schulungsaufwand.

6. Gesamtkosten und langfristiger Nutzen

Blicken Sie über den anfänglichen Lizenzpreis hinaus. Berücksichtigen Sie Wartung, Schulungen, Implementierung, Modellentwicklung und laufenden Support. Beratungsleistungen können die Einführung beschleunigen, bei der Validierung von Modellen helfen und spezielle technische Herausforderungen bewältigen – insbesondere wenn die internen Ressourcen begrenzt sind.

Vergleichen Sie die Tools letztendlich anhand eines definierten Satzes technischer Anforderungen. Eine strukturierte Bewertung anhand eines repräsentativen Anwendungsfalls ist aussagekräftiger als die Auswahl von Software allein aufgrund von Markenbekanntheit oder Funktionslisten.

Erste Schritte mit der 1D-Systemsimulation

Die Auswahl der richtigen Simulationssoftware für 1D-Systeme beginnt mit dem Verständnis der technischen Problemstellung und nicht mit der Auswahl eines Produkts. Definieren Sie das zu modellierende System, identifizieren Sie die beteiligten physikalischen Bereiche und legen Sie messbare Leistungsziele fest. Bewerten Sie anschließend die in Frage kommenden Tools hinsichtlich Modellgenauigkeit, Rechenleistung, Integrationsfähigkeit, Skalierbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Gesamtkosten.

Validieren Sie die Auswahl nach Möglichkeit anhand eines repräsentativen Anwendungsfalls. Dies liefert praktische Belege dafür, wie gut die Software Ihren technischen Arbeitsablauf unterstützt und ob sie innerhalb der verfügbaren Zeit und mit den vorhandenen Ressourcen brauchbare Ergebnisse liefern kann.

Eine erfolgreiche Simulation erfordert jedoch mehr als nur Software. Das Erstellen geeigneter Modelle, die Auswahl von Annahmen, die Validierung von Ergebnissen und die Umsetzung der Erkenntnisse in Konstruktionsentscheidungen erfordern allesamt die richtige Kombination aus Werkzeugen und technischem Fachwissen.

Mit seiner Expertise in Simulationssoftware und praktischer Ingenieurberatung unterstützt Femto Engineering Ingenieurteams dabei, geeignete Modellierungsansätze zu identifizieren, Simulationsabläufe zu implementieren und komplexe Herausforderungen auf Systemebene zu bewältigen.

Ganz gleich, ob Sie Simcenter Amesim, evaluieren, eine neue Simulationsfunktion einrichten oder ein bestehendes Modell verbessern möchten – wir helfen Ihnen dabei, den effektivsten Weg für die Zukunft zu finden.

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