Virtuelle Produktentwicklung über alle Disziplinen · © CADFEM GmbH, 2019 Was ist Simulation? Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse

© CADFEM GmbH, 2019

Virtuelle Produktentwicklung über alle Disziplinen

Teamwork der digitalen Modelle

Steffen Peters

CADFEM Stuttgart

Quelle: ANSYS


Inhalt

• Was ist Simulation – eine kurze Einführung

• Kosten und Nutzen von Simulation

• Physikalische Domänen im Anwendungsspektrum

• Vernetzte Simulations-Modelle

• Beschleunigung von aufwendigen Analysen

• Nutzen für Industrie 4.0 - Digitaler Zwilling

Quelle: ANSYSQuelle: ANSYS


Was ist Simulation?

Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen.*

• Physikalische Experimente (ohne Computer)sind auch Simulationen:

• Auto-Crashtest

• Windkanal

• Abgas-Prüfstand

• Heute versteht man unter Simulationfast immer Computersimulationen:

• Fahr- oder Flugsimulator

• Wetter- und Klimasimulation

• Computer Aided Engineering (CAE)

*Quelle: Wikipedia

*Quelle: ANSYS Optis

Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 4


Wie funktioniert Simulation?

Gängigster Ansatz: Finite Elemente / Volumen Methode, FEM / FVM


Quelle: CADFEM, AGCO Fendt

Aufteilen LösenModellieren

1u 2u

k

)( 12 uukFFeder −=

−

−=

ie

ie

ieie

ieie

ie

ie

u

u

kk

kk

F

F,

2

,

1

,,

,,

,

2

,

1

uKF=

Elemente


Warum simulieren wir?

Herausforderungen in der Produktentwicklung


Premium Quality

First Class Products

Prototypes

Development Time

ZeitenKosten

Six Sigma

Material Costs

As Soon As Possible

Contractual Penalty

Optimization Dead Line

Technological Improvement

Qualität Innovation

Quelle: CADFEM


Kosten und Nutzen von Simulation

Änderungskosten während der Produktentwicklung

Wie entwickeln sich die Kosten je Änderung im Verlauf des Produktentwicklungsprozesses?


Konzept Prototypen SerieIdee

€

Projekt-

phase

https://www.google.de/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi6usrI5_DWAhUJ2BoKHYEQCcEQjRwIBw&url=https://www.flaticon.com/free-icon/clock-circular-outline_59252&psig=AOvVaw1GKQbPHni8LXclFdj6IZfj&ust=1508094397358401




Die Kosten je Änderung steigen deutlich, je weiter der Produktentwicklungsprozess fortgeschritten ist.



Projekt-

phase

€





Die Kosten je Änderung steigen deutlich, je weiter der Produktentwicklungsprozess fortgeschritten ist.

→Simulation kann in jeder Projektphase unterstützen

→Frühe Simulation kann Fehlerquellen aufdecken und Kosten sparen



Analytik

Simulation

Test / Labor

Projekt-

phase

Analyse-

Methode

3D DruckDigitaler

ZwillingHIL*

€

*Hardware in the Loop



Innovation durch Simulation

• Air Multiplier von Dyson

• Herausforderung• Entwicklung eines neuartigen

Tischventilators

• Keine Erfahrungswerte

• Optimierung des neuen Konzeptes

• Lösung• Viele Varianten können in relativ

kurzer Zeit untersucht werden

• Untersuchung möglich bevor alle Details auskonstruiert sind

• Verstehen des Produktkonzeptes durch Visualisierung der Strömung

Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019

Foto: Courtesy of Dyson Ltd.

10


Zeit sparen durch Simulation

• Getriebe von AGCO FENDT

• Herausforderung• Entwicklung eines hochbelasteten

Getriebegehäuses

• Prototypenbau und Test erfordern mindestens 8 Wochen

• Lösung• Verringerung der Kosten durch Wegfall

der meisten Prototypen

• Hinweise auf wichtige Messstellen für den Versuch

• Simulation verkürzt Untersuchung eines Designs auf 1 Tag


Foto: AGCO Corporation

11

Quelle: CADFEM / AGCO Corporation


Qualität sichern durch Simulation

• Schrauben von ulrich medical

• Herausforderung• Hohe Sicherheitsansprüche und

Haftungsrisiken in der Medizintechnik

• Komplexe, patientenspezifische Belastungsszenarios

• Physikalischer Test schwierig

• Lösung• Systematische Untersuchung vieler

Belastungsfälle und Einbausituationen

• Identifikation wichtiger konstruktiver Parameter und Einflussgrößen

• Bewertung der Zuverlässigkeit


„Simulation hilft uns, höchste Qualitätsansprüche bei

unseren Produkten zu erfüllen. Dabei nutzen wir auch das

Know-how von CADFEM, um optimale Lösungswege zu

finden.“ Stefan Midderhoff, ulrich GmbH & Co. KG

12


Anwendungsspektrum der Simulation

Am Beispiel eines PKW


Abgas-

führung

Brems-

sattel

Kurbelwelle

Motor-

KolbenBatterie

/ Akku

Kühler

Zylinder

Block

Lüfter

Klima Regelung

Abschirmung gegen Handy-SignaleAerodynamik

Quelle: ANSYS


Herausforderung

Jede Disziplin im physikalischen

Spektrum bis ins Detail abbilden


Anforderung an die Simulation

Physikalische und methodische Disziplinen

Stufe 1

• Einzelne Disziplinen / Felder

• Fehlersuche, Verständnis

• Neue Konzepte & Verbesserungen


Optimierung

Elektro-

Magnetik

Strömung

Temperatur

Mechanik

ZuverlässigkeitCAD

Nachweis

Quelle: ANSYS / CADFEM


Herausforderung

Verschiedene Disziplinen

interagieren meist miteinander.

Wie verbindet man sie?



Kopplung von Modellen aus verschiedenen physikalischen Domänen

• Antwort des einen Modells wird als Last auf das andere aufgebracht


Strömung Mechanik


Druck, Temperatur

Verformung




Stufe 2

• Gekoppelte Disziplinen / Felder

• Fehlersuche, Verständnis

• Neue Konzepte & Verbesserungen


OptimierungElektro-

Magnetik

Strömung

Temperatur

Mechanik

ZuverlässigkeitCAD

Nachweis

Kopplung





Stufe 3

• Systemsimulation

• Systemverständnis

• Neue und ganzheitliche Konzepte


Optimierung

SystemCONST

in1 out1

out2

CONST

PT1

CONST

Strömung

Temperatur

Mechanik

Elektro-

Magnetik

CAD

Nachweis

Kopplung

Strömung

Temperatur

Mechanik

Elektro-

Magnetik

MessungZuverlässigkeit




Realitätsnahe Simulationsmodelle

Hohe Genauigkeit durch Beschreibung der Wechselwirkung verschiedener Effekte auf

• Komponentenebene

• Systemebene

Prinzipiell möglich, aber…

→ Modellgröße kostet Rechenzeit


Rotorblätter

Getriebe

Elektrischer

Generator

Leistungs-

elektronik

Systemverhalten einer Windkraftanlage


SystemCONST

in1 out1

out2

CONST

PT1

CONST


Herausforderung

Detailmodelle rechnen oft tagelang.

Kann man das beschleunigen?

Quelle: www.hlrs.de


Metamodelle

Verhaltensmodelle, die nur den Zusammenhang beschreiben zwischen (relevanter) Eingangs- und Ausgangsgröße.

Quellen von Metamodellen:

• Tabellen, z.B. aus Simulation oder Messung

• Analytik / Gleichungen

• Modell-Ordnungs-Reduktion MOR*

Vorteile von Metamodellen:

• Rechnen sehr schnell (→Echtzeit)

• Lassen sich unter Partnern austauschen

• Sind leicht weiterzuverwenden (z.B. Web-Taschenrechner)


Metamodell

Eingangs-

Signal

Ausgangs-

Signal

*Mathematisches Verfahren


Metamodelle

Beispiele für Metamodelle:

• Lichtschalter & Leuchte• Eingang: Schaltzustand

• Ausgang 1: Leuchtstärke

• Ausgang 2: Temperatur



Metamodelle


• Dehnungsverhalten im Zugstab• Eingang: Kraftverlauf

• Ausgang: Dehnungsverlauf

Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 24Quelle: Wikipedia

F

L


Metamodelle


• Ersatzschaltung Batteriezelle• Eingang: Lade- oder Entladestrom

• Speichergrößen: aktueller Ladezustand und Temperatur

• Ausgang: neuer Ladezustand, neue Temperatur

Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 25Quelle: ANSYS


Anwendung in Systemen: E-Mobilität

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Thermisch

Elektrisch

Zellenschaltung

Akkupack

Schaltmodell

Lastenheft

Strömung ROM

Elektroden-

Corrosion

Reduzierte

Elektrochemie

3D Elektrochemie

Thermal Netzwerk

Hybrid-Puls-Last

Elektro-

chemisch

ÜberhitzungsfallBatterie Alterung

Quelle: ANSYS


Anwendung in Systemen

Herausforderung:

• Modelle von unterschiedlichen Spezialisten zusammenführen

Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 27Quelle: ANSYS / CADFEM

Strömungs-

Simulant

Software-

Entwickler

Schaltungs-

Entwickler

Mechanik-

Simulant

$$

ProjektleiterChemie-

Simulant

Metamodell Metamodell Metamodell Metamodell Metamodell Metamodell


Nutzen

Was bringt das?


Optimierung ohne Grenzen

Modelle können auf Komponentenebene ausgetauscht werden:

• Lieferant erstellt und teilt Verhaltensmodelle seiner Komponenten

• kleiner Digitaler Zwilling

• „Black Box“ → Innenleben kann geheim bleiben

• Systemlieferant verwendet diese weiter • in seiner Simulation für Entwicklungsaufgaben

• in Steuerungssoftware für Versuche

• zur Optimierung des Systems zur Höchstleistung


Metamodell

Metamodell

Metamodell

System


0

Y t

driving_cycle

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00 1400.00Time [s]

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

dri

vin

g_

cy

cle

.VA

L

Curve Info

driving_cycle.VALTR

v_ref

mech_tv

c_s

c_b

sta

rt

sto

p

drive

idle

driver_hev

c_in_s

c_in_b

start

stop

drive

c_out_m_s

c_out_m_b

idle

c_controller_ev

0.00 500.00 1000.00 1400.00Time [s]

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

c_

co

ntr

oll

er_

ev

.ba

t_s

oc

Curve Info

c_controller_ev.bat_socTR

Electrode_negative

Electrode_positive

PackBattery

+

V

Battery_voltage

CONST

wind_velocity

CO

NS

T

grading_angle

vw

alp

ha

mech_tv

stop

idle

chassis_hev1

alphastop

mech_rv mech_tv

idle

wheel_hev

control

stop

mech_rv

idle

brake_hev

free

a

b

l_d

o

l_q

o

lam

bd

a_

pm

o

om

eg

a_

eo

p_

o

ph

i_e

o

power_o

r_so

rpm

c

mech_rv

pmsm_hev

c_brake

c_velo

l_d

l_q

lam

bd

a_

pm

om

eg

a_

e

p

ph

i_e

power_m

r_s

rpm

idle

start

stop

a

b

c

freeplus_b

minus_b

pmsm_controller_hev

GA

IN

A

Battery_current

BMScontactor

BMS_Code

S1


Digitaler Zwilling / Industrie 4.0

Nutzen auf Systemebene

• Systemmodell bildet das Verhalten der gesamten Anlage ab

• Rechnet in Echtzeit oder schneller!

• Speist man dieses mit realen Betriebsdaten der Anlage, können• die Regelparameter optimal angepasst werden

• daraus Ausfallwahrscheinlichkeiten nach Ereignissen vorhergesagt werden

• Wartungen und Reparaturen geplant werden (prädiktive Wartung)


Phoenix Contact –sicherheitskritische Relais

Digitaler Zwilling für die simulationsgestützte Zustandsüberwachung und prädiktive Wartung

Quelle: Phoenix Contact


Fazit

• Simulation ist im Alltag von Entwicklern längst angekommen.

• Oft sind Kopplungen von Modellen notwendig.

• Modelle kommen oft aus mehreren Abteilungen oder Firmen.

• Verhaltens- und Systemmodelle

• Verkürzen die Antwortzeiten um Größenordnungen

• Sind leicht zu kombinieren / koppeln / auszutauschen

• Schützen Firmenwissen im externen Austausch

• Ermöglichen die Optimierung von Gesamtsystemen

• Unterstützen prädiktive Wartung (Digitaler Zwilling)

Fragen?


Danke und kommen Sie gut nach Hause!

Weitere Fragen? [email protected]

mailto:[email protected]

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