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Von der Theorie zur Praxis:
Macht virtuelle Entwicklung Sinn?
Dr. Harald Bauhoffer
Leitung Entwicklung Oberaigner Powertrain GmbH
DI Gerald Schatz
CEO Linz Center of Mechatronics GmbH
Dr. Markus Schörgenhumer
Teamleitung Simulation Linz Center of Mechatronics GmbH
[email protected] +43 732 2468 6129
Technologie im 21. Jahrhundert Customization | Prototyping | Development | Research | Science
Wer ist LCM?
• F&E-Dienstleister
• Bringt Forschungsergebnisse in industrielle Anwendung
• Lösungsanbieter für Unternehmen
• One-Stop-Shop
LCM Fakten
• Gegründet 2001
• 120 Mitarbeiter
• > 250 Kunden
• 4 Geschäftsbereiche: Drives | Mechanics & Control | Sensors & Communication I Emerging Technologies
• Standort Linz
• Nominierung Technologie Innovationspreis „Hermes“/Hannover 2017 und 2012
Vorstellung LCM
Integrierte Antriebe Elektronik, Leistungselektronik
ZEITERSPARNIS
QUALITÄTS-
VERBESSERUNG
FLEXIBILITÄT
Sensornetzwerke, Industrial Internet
of Things
Schwingungstechnik
Regelungstechnik
Simulation
Emerging Technologies
Know How
Energiesparende
Drahtlos-Kommunikation
Digitaler Zwilling Automotive Haushaltsgeräte
Integrierte Antriebe Hybride Antriebe Ventilentwicklung
Elektrische
Antriebe
Optimaler
Aktuator/Motor
Virtuelle Entwicklung
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Virtuelle Entwicklung: Motivation
Modellierung, Simulation, Digitalisierung
Trends in Entwicklung und Produktion
Modelle, Daten, Digitalisierung, künstliche Intelligenz,…
Reale und virtuelle/digitale Welt vernetzen
Modellgestützte Entwicklung und Produktion
Interdisziplinär, domänenübergreifend
Source: www.dailymail.co.uk
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Virtuelle Entwicklung: Motivation
Modellierung, Simulation, Digitalisierung
Trends in Entwicklung und Produktion
Modelle, Daten, Digitalisierung, künstliche Intelligenz,…
Reale und virtuelle/digitale Welt vernetzen
Modellgestützte Entwicklung und Produktion
Interdisziplinär, domänenübergreifend
Idee der virtuellen Entwicklung
Teil der realen Welt digital abbilden
• Verständnis für komplexe Prozesse und Systeme
• Design, Auslegung, Optimierung
• Adaptivität, Monitoring, Predictive Maintenance
Risiko, Kosten, Time-to-Market reduzieren
Prozesse, Systeme, Produkte im Detail verstehen
und optimieren
von Modellierung / Simulation zur
virtuellen Entwicklung
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FEM Berechnung
Modellierung / Simulation / Optimierung
Überblick
Materialmodellierung Produktionsprozesse Umformtechnik Vibro-Akustik Thermo-Mechanik
Rotordynamik
MBS
FEM
Modal reduction
Co-Simulation
Mechatronic
systems
Simulationstool
HOTINT
Mechatronische
Simulation
Fluid / Partikel –
Struktur – Interaktion
(Thermo-)Fluid
Dynamik
Wärmetransport
Elektromagnetische
Simulation
Optimierungsplattform
SyMSpace
Softwaretool TechCalc Softwaretool X2C Elektronik und
Feldsimulation
Maschinelles Lernen,
Künstliche Intelligenz
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Design: Virtueller Prototyp - Design, Auslegung, Optimierung
Inbetriebnahme: Virtuelle Inbetriebnahme und virtuelles Testen
Betrieb: - Predictive Maintenance, Condition Monitoring (Digital Twin)
- selbst-optimierende Maschinen (Active Digital Twin)
Quelle:
https://www.silicon.co.uk/wp-content/
uploads/2017/04/Robots-making-a-car.jpg
Quelle:
https://prozesstechnik.industrie.de
Virtuelle Entwicklung
Prozess – System – Produkt
Source: www.vienna.at -
© bilderbox.com (Sujet)
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Virtueller Prototyp
Design
Inbetriebnahme und Testen
Betrieb
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Quelle: NG Green Innovations GmbH
Standard Optimized
Technologie Modellbasierte Entwicklung mittels Co-Simulation HOTINT – LIGGGHTS
(Mehrkörperdynamik Simulation – Partikel Simulation
Nutzen und Aufwand
Optimierte Konstruktion/Design gestützt durch Simulation
Bis zu 60% erhöhter Durchsatz bei gleicher Drehzahl
Bis zu 20% erhöhter Wirkungsgrad
Aufwand für Modellierung, Simulation, und Optimierung:
~ 2-3 Wochen
Virtueller Prototyp
NG-Green – Schnee-/Hackschnitzelfräse
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Technologie Digitale Abbildung der Sägekette mittels
Finite Elemente Simulation
Nutzen und Aufwand
Analyse der dynamischen Kräfte und Vibrationen
Nachhaltige Sicherung von Expertenwissen
Untersuchungen zu Verschleiß und Lärm
Optimierung des Schneidesetups
Projektaufwand: ~ 2-3 Monate
Virtueller Prototyp
PRINZ – Kettensäge
Quelle: PRINZ GmbH & Co KG
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• Modellierung und Simulation von Abgasturboladern in Kooperation mit der BMW Motoren GmbH
• Effiziente stationäre Analysen und transiente Hochlaufsimulationen von Turboladern
• Entwicklung und Implementierung verschiedener Lagermodelle (speziell: hydrodynamische Schwimmbuchsenlagerung)
• Untersuchung der Schwingungscharakteristik
• Untersuchung und Optimierung der akustischen Eigenschaften
Virtueller Prototyp
BMW – Abgasturbolader
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Virtuelle Inbetriebnahme, virtuelles Testen
Design
Inbetriebnahme und Testen
Betrieb
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Was ist virtuelle Inbetriebnahme?
Bestandteile
• Physik-basierte 3D Simulationsumgebung • Grundlegende physikalische Effekte,
Kollisionserkennung
• Virtuelles Modell • Konstruktion direkt aus CAD-Daten übernehmen
• Einfache und schnelle Kinematisierung
• Ablaufsteuerung • Ablaufsimulation
• Kopplung mit realem Automatisierungssystem (SPS – SIL, HIL)
simulated PLC coupled PLC
(e.g. TCP/IP)
coupled PLC
(field bus emulation)
coupled PLC
(real time CPU)
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Nutzen der virtuellen Inbetriebnahme
Im Entwicklungsprozess
• Entwicklungsdauer verkürzen • Softwareerstellung früher starten
• Inbetriebnahme ohne realer Maschine
• Erleichterte Abstimmung mit Kunden • Ablauf an der Anlage, Eingliederung in Prozess
• Bedienerschulungen vorab
• Ablaufoptimierung vor der Inbetriebnahme
• Erhöhte Softwarequalität
• Risikominimierung
• Kürzere Inbetriebnahmedauer vor Ort
Nach der Inbetriebnahme
• Virtual-Reality Anwendungen
• Offline-Tests von Software-Updates
• Digital Twin parallel zum Betrieb
© machineering
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Projekt: ENABLE-S3
Arbeitspakete: Big Data, Simulation
Partner: Konsortium mit 71 Partnern aus 16 Ländern
Inhalte:
• Testen von intelligenten, autonomen Systemen
• automatisierte cyber-physikalische Systeme
• Virtuelle Alternative für zeit- und kostenintensive Verifikation & Validierung
• Design, Ausführung und Auswertung von Testszenarien
• Simulation in Vires VTD
• Optimierung zur Identifikation kritischer Szenarien
Virtuelles Testen
EU-Projekt
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Digitaler Zwilling
Design
Inbetriebnahme und Testen
Betrieb
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Aktiver Digitaler Zwilling
für autonome Produktion
Autonomer Blech-Biege-Automat
für Produktion Losgröße 1
• Virtuelle Abbildung der realen Maschine & Prozess
• Strategien zur Modellreduktion (Substrukturtechnik)
• Automatische Identifikation von Materialparametern
in Echtzeit (online)
• Adaptive, voll automatisierte “one piece flow production”
Biegen
Falten
Quelle:
http://www.salvagninigroup.com
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Hannover Messe
HERMES AWARD
NOMINEE 2017
Aktiver Digitaler Zwilling
für autonome Produktion
Autonomer Blech-Biege-Automat
für Produktion Losgröße 1
• Virtuelle Abbildung der realen Maschine & Prozess
• Strategien zur Modellreduktion (Substrukturtechnik)
• Automatische Identifikation von Materialparametern
in Echtzeit (online)
• Adaptive, voll automatisierte “one piece flow production“
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Hybride Modelle
Physikalische Modellierung & Maschinelles Lernen
Nächste Generation der Ansätze für Modellierung und Simulation: Kombination von
physikalischen Modellen mit datenbasierten Modellen / Machine Learning
• Physikalische Modelle detailliertes Verständnis des Systems („white-box“)
• Datenbasierte Modelle effiziente Erfassung von komplexer realer Situation (“black-box”)
• Hybride Modelle Kombination der Stärken dieser beiden Welten
REAL WORLD DATA-BASED MODELING MACHINE LEARNING
PHYSICS-BASED MODELING
Quelle: www.dailymail.co.uk
HYBRID MODELS
Software Tools für
Virtuelle Entwicklung
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CAD, Pre-Processing, Vernetzung
SolidWorks | ProEngineer | PTC Creo | FreeCAD* | ANSYS und Abaqus Preprocessing & Meshing | Altair
Hypermesh | Simlab | NetGen* | Salome* | OpenCascade* | SnappyHexMesh* | Gmsh* | cfMesh* | blockMesh*
FE, MBS, Partikel, System Modellierung | Mechanik, Wärme, CFD, Elektromagnetik, Multi-Physics
ANSYS: Mechanical | Acoustics | CFD | Maxwell | HFSS | Icepak | Siwave
Abaqus incl. Tosca, Isight, FE Safe
Altair Hyperworks
FEMM* | ProFEMAG* | CST
LIGGGTHS* | NGSolve* | OpenFOAM* | Caelus*
OpenModelica* | Dymola | MapleSim
Electronik, Schaltungssimulation
LTSpice | Altium
Automatisierung, Virtuelle Inbetriebnahme & Testen
LabVIEW | industrialPhysics | Vires VTD
LCM Software Tools
SyMSpace* | HOTINT* | X2C* | TechCalc
Mathematik, Numerik, Visualisierung und Post-Processing
MATLAB Simulink | SciLab/Xcos* | Mathematica | Maple | Python* | Paraview*
Machine Learning, KI, datenbasierte Modelle, Hybride (kombinierte physik- und datenbasierte) Simulation
PyTorch* | TensorFlow* | Python* | Keras* | MATLAB
Softwareentwicklung, Programmierung, Scripting
C/C++ | Python | Java | JavaScript | C# | Visual Studio | GitLab
Modellierung / Simulation / Optimierung
Software Tools (* freie oder Open-Source Software)
FEMM
… Mathematica
Visual Studio
GitLab
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LCM Software Tools
SyMSpace: Plattform für virtuelle Entwicklung (Modellierung,
Simulation, Optimierung) mechatronischer Systeme
https://www.lcm.at/project/symspace-der-system-model-space-von-lcm
HOTINT: Freie Simulations-Software für mechatronische Systeme
hotint.lcm.at
X2C: Open-Source Tool für modellbasierte Entwicklung
und Code- Generierung für Echtzeit Regelungen
x2c.lcm.at
TechCalc: Design- und Auslegungswekzeug
www.lcm.at
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COMPONENT
SPACE
WEB
INTERFACE
COMPUTING
RESOURCES Center slave /
Tool slaves
Storage
academia business
open-source-community
rotor dynamics magnetic bearing
PMSM design
pump design
antenna design
Cloud resources: amazon, Cloudsigma, ...
Local CPU JKU-LCM cluster
FEMM
TOOL SPACE
Die SyMSpace Plattform
Überblick
• Modulares Framework
• Automatisierter Workflow für
virtuelle Entwicklung
• Optimierung
SyMSpace Center database
interface model
configurator
data visualization
multi-parameter optimization
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0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
el
/ °
Uem
f / V
Current = 0.0 Arms
Current = 0.7 Arms
Post-Processing Plots & Ergebnisse
Elektromagnetische FE
Simulation
Parametriertes Geometriemodell
Automatisierte Erzeugung
der Dokumentation
Auto-Generierung von
Regelungsfiles, FMUs,
Simulationsmodellen, ... Thermische Simulation
Mechanische Simulation
Virtuelle Entwicklung mit SyMSpace
Illustration Workflow https://www.lcm.at/project/symspace-der-system-model-space-von-lcm
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Beispiel aus der Praxis:
Kooperation
LCM – Oberaigner Powertrain GmbH
Virtuelle Entwicklung
29
Beispiel aus der Praxis
Kooperation LCM – Fa. Oberaigner
Bericht aus der Praxis
Einblick in die gemeinsamen Entwicklungsprojekte
Potential der virtuellen Entwicklung: Diskussion und Ausblick
© Oberaigner Powertrain GmbH
Kurzvorstellung Oberaigner Gruppe
11.11.2019
Seite 31 © Oberaigner Powertrain GmbH
OBERAIGNER - Gegründet 1977 von Wilhelm Oberaigner
Standorte Oberaigner Gruppe:
Deutschland
• Rostock/Laage (Oberaigner Automotive)
Österreich
• Nebelberg (Oberaigner Powertrain)
• Ottnang (Oberaigner Blechtechnik)
• Rohrbach (Autohaus Mercedes-Benz)
Mitarbeiter 2017: ca. 220
Umsatz 2017: ca. 70 Mio.€
Betätigungsfeld: Antriebstechnik Nfz
Seite 32 © Oberaigner Powertrain GmbH
Entwicklung & Produktion
Eigenentwicklung Auftragsentwicklung Produktion
Gesamtfahrzeug
MB-Sprinter 4x4, Renault Master 4x4, Opel Movano 4x4, Nissan NV400 4x4, Oberaigner 6x6,…
Vision Konzept Prototyp Serie
Allradumrüstung
Serienfertigung
Lohnfertigung Getriebe-/Achssysteme
Verteilergetriebe, Achsgetriebe, Umlenkgetriebe, Doppelachsantrieb, Getriebe zur Elektrifizierung von
Antriebssträngen,…
Seite 33 © Oberaigner Powertrain GmbH
Betätigungsfeld Powertrain
Verteilergetriebe Sondergetriebe
Achsgetriebe Achsmodule
Achsen
Getriebe-/Achssysteme
Getriebe für E-Mobilität
Seite 34 © Oberaigner Powertrain GmbH
• Fahrzeugkomplettierung beim Kunden, Vermarktung durch OEMs/Kunden
• Fahrzeugkomplettierung/Umrüstung auf Allradantrieb oder auf Allradvarianten bei Oberaigner (z.B. Varianten, die vom OEM/Kunden nicht angeboten werden)
Referenzen/Fahrzeuge:
• MB Sprinter 4x4
• Renault Master 4x4
• Opel Movano 4x4
• Oberaigner 6x6
• …
Gesamtfahrzeuge
Oberaigner. Drive for the future.
© Oberaigner Powertrain GmbH
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Beispiel aus der Praxis
Kooperation LCM – Fa. Oberaigner
Bericht aus der Praxis
Einblick in die gemeinsamen Entwicklungsprojekte
Potential der virtuellen Entwicklung: Diskussion und Ausblick
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Strömungssimulation mit freien Oberflächen
Ölverteilung in einem Getriebe
Kalibrationssetup Lagermodell Simulationsmodell Ölverteilung Getriebe
Lagermodelle
Axialer Strömungswiderstand in
Abhängigkeit von der Drehzahl
Schleppwirkung
Kalibration basierend auf CFD und
Messdaten
Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
Spezifisch entwickelte Modelle für die axiale
Durchströmung von Wälzlagern
Analyse unterschiedlicher Betriebszustände
Software: HOTINT-LIGGGHTS Ko-Simulation
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Strömungssimulation mit freien Oberflächen Ölverteilung in einem Getriebe für Nutzfahrzeuge
Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)
Spezifisch entwickelte Modelle für die axiale
Durchströmung von Wälzlagern
Analyse unterschiedlicher Betriebszustände
Software: HOTINT-LIGGGHTS Ko-Simulation
Thermische Modellierung Thermische Analyse eines Getriebes für Nutzfahrzeuge
Stationäre Temperaturverteilung mittels FEM Wärmestrom / Übergang Luftströmung via Thermo-CFD
Luftströmung / Anströmung Kühlung via Thermo-CFD
Simulation der Luftströmung und des Wärme-
übergangs an die Luft in Abhängigkeit von der
Fahrzeuggeschwindigkeit via Thermo-CFD
Stationäre Temperaturverteilung für
unterschiedliche Lastfälle via FEM
Abbildung von Wärmequellen / Verlusten und
Wärmeübergängen im Inneren des Getriebes
über geeignete Quellen und Randbedingungen
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
