Simulationsmodelle werden benutzt, um Voraussagen über die Realität zu machen: Wie genau misst ein neu designter Durchflusssensor? Wie muss ein Leistungsschalter ausgelegt sein, um möglichst geringe elektrische Verluste aufzuweisen? Wie heiß werden die Kondensatoren in einem aktiv gekühlten Netzteil? Die Vorteile der Simulation zur Beantwortung solcher Fragen liegen auf der Hand: Noch bevor der erste physische Prototyp gebaut wird, können mit Simulation bereits blitzschnell abertausende virtuelle Tests durchgeführt worden sein und eine sehr genaue Vorstellung davon entwickelt werden, worauf es beim Endprodukt ankommen wird. Simulationen liefern zudem Einblicke in Details, welche sich im Experiment nicht (oder nur sehr ungenau) bestimmen lassen, wie z.B. die räumlich aufgelöste Spannungsverteilung.

Untersee Hochspannungskabel

Untersee-Hochspannungskabel und die berechnete resultierende Temperaturverteilung unter Betriebsbedingungen, wobei die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands berücksichtigt wird.

Grundlagen aller Simulations-Softwaretools sind Gleichungen, welche durch die Software näherungsweise gelöst werden. Gäbe es exakte Lösungen, so wäre die Software überflüssig. Ein zentrales Kriterium für die Nützlichkeit virtueller Prototypen ist die Präzision, mit der sie die Realität voraussagen können. Dabei ist die numerische Genauigkeit oft weniger entscheidend als die Frage, ob das Modell auch alle relevanten physikalischen Prozesse richtig abbildet.

Oft wird aus Gründen der Vereinfachung versucht, einzelne Prozesse isoliert zu betrachten, aber wir wissen: Physik ist nicht isolierbar – Prozesse in der echten Welt hängen voneinander ab. Ein Beispiel: Für die virtuelle Entwicklung von Hochspannungskabeln reicht es nicht, die elektromagnetischen Felder zu berechnen. Durch die auftretende Joulsche Erwärmung wird ein Kabel erhitzt, was sich wiederum auf den elektrischen Widerstand auswirkt, denn dieser ist z.B. für Kupfer temperaturabhängig. Für eine realistische Abschätzung des effektiven Widerstands des Kabels ist also eine „ganzheitliche“ Betrachtung nötig, die sowohl die Elektromagnetik also auch den Wärmetransport sowie die gegenseitige Wechselwirkung zwischen diesen beiden Effekten einschließt.

Multiphysik ist Voraussetzung

Die Berücksichtigung mehrerer sich beeinflussender Prozesse heißt in der Simulationswelt Multiphysik. Die Fähigkeit einer Simulationssoftware, multiphysikalische Modelle zu berechnen, ist ein entscheidendes Kriterium für die Realitätsnähe der Ergebnisse – ohne Multiphysik ist bei zahlreichen Industrieanwendungen keine hohe Ergebnisgenauigkeit möglich.
Multiphysikalische Anwendungen, die in der Elektronikindustrie vorkommen, können sehr unterschiedliche derartige Kopplungen enthalten.

So müssen für die Berechnung von Mikro-Stellgliedern (Aktoren) neben elektromagnetischen und Wärmetransportgleichungen auch strukturmechanische Gleichungen gekoppelt berechnet werden, um die thermische Ausdehnung korrekt vorherzusagen. Aber auch die Kopplung von Strömungsmechanik (CFD) und Wärmetransport ist sehr gebräuchlich, um etwa das aktive Thermomanagement elektronischer Komponenten zu optimieren.

Temperaturverteilung und Strömungsprofil

Temperaturverteilung und Strömungsprofil in einem aktiv gekühlten Netzteil.

Eine Multiphysik-Simulationssoftware sollte keinerlei Einschränkungen an die Koppelbarkeit aller möglicherweise wichtigen Prozesse aufweisen. Es sollte grundsätzlich möglich sein, alles mit allem zu koppeln, um der Realität möglichst nahe zu kommen und somit eine hohe Aussagekraft der Modelle zu erreichen.

Validierung ist Pflicht

Um sicherzustellen, dass Modellergebnisse nicht bloß schön anzuschauende bunte Bilder und Animationen liefern, sondern belastbare und verlässliche Ergebnisse, ist eine Modellvalidierung Plicht. Diese kann auf unterschiedliche Weisen realisiert werden, z. B. können analytisch lösbare Spezialfälle gerechnet und mit den exakten analytischen Lösungen verglichen werden. Im Idealfall gibt es experimentelle Daten, mit denen die Simulationsergebnisse verglichen werden können. Einmal validiert, kann ein Modell dann für abweichende Konfigurationen genutzt werden, wobei immer darauf geachtet werden muss, dass sich diese Konfigurationen noch im Gültigkeitsbereich des Modells befinden.

Nächster Schritt: Simulations-Applications

Die Erstellung eines exakten multiphysikalischen Modells ist eine anspruchsvolle Aufgabe, welche Einarbeitung in die Software, Erfahrung mit numerischer Simulation und ein gewisses Verständnis für die im Hintergrund ablaufenden Lösungsmechanismen erfordert. Damit ist Simulation auch heute noch in vielen Fällen Spezialisten vorbehalten. Der traditionelle Ablauf sieht vor, dass Spezialisten die Modelle erstellen und die verschiedenen Konfigurationen durchspielen, bis die erforderliche Vorhersage getroffen werden kann oder bis das Bauteil bedarfsgerecht optimiert ist.

Doch es geht auch anders: Nach Fertigstellung eines Simulationsmodells kann dieses zu einer eigenständigen Simulations-Application erweitert werden. Typischerweise besitzen solche Apps eine eigenständige Benutzeroberfläche, mit einer gegenüber dem ursprünglichen Modell stark eingeschränkten Bedienmöglichkeit. Anwender der App können Parameter und andere Einstellungen ändern und unterschiedlichen Konfigurationen berechnen, ohne die geringste Ahnung über die numerischen Hintergründe des Modells im Hintergrund haben zu müssen. Sie starten einfach die entweder vollkommen eigenständige App (als Programm) oder lassen diese per Fernzugriff auf einen Server laufen. Der Simulationsprozess wird damit entkoppelt zu einem Modellerstellungsprozess und der eigentlichen Berechnung, die, wie erwähnt, dann jeder durchführen kann.

Layout und Ergebnis einer elektrothermischen Simulation

Layout und Ergebnis einer elektrothermischen Simulation, bei der die thermische Auswirkung eines wärmeproduzierenden Chips auf einen wärmeempfindlichen oberflächenmontierten Siliziumchip untersucht wird.

Mehr erfahren: Webinar

Wie sieht die Erstellung eines Multiphysik-Modells für die Elektroindustrie praktisch aus? Wie funktioniert die Kopplung verschiedener physikalischer Prozesse in der Praxis und wie kann man sich Simulations-Applications konkret vorstellen? Dies erfahren Sie in einem Webinar am 24. September um 14:00 Uhr. Im Webinar wird der Modellierungsablauf an einem Anwendungsbeispiel, der thermoelektrischen Simulation eines SMD-Bauelements, gezeigt.

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