Fachtagung zur Systemsimulation und Treffpunkt der SimulationX-Community

20. ESI SimulationX Conference vom 8. bis 9. November 2018 in der BÖRSE DRESDEN

ESI SimulationX Confererence 2018 – wir sagen Danke

Der Mix aus über 45 anregenden Fachvorträgen und erkenntnisreichen, interaktiven Sessions zum SimulationX-Workshop-Tag am 7. November hat über 170 SimulationX-Anwender angezogen. Wir danken allen Referenten, Ausstellern, Sponsoren und Gästen für dieses erfolgreiche Anwendertreffen. Neue und bekannte Gesichter diskutierten über aktuelle SimulationX-Projekte, Kontakte wurden geknüpft und natürlich kamen auch Spaß und Bewirtung nicht zu kurz. Wir haben für Sie einige Impressionen eingefangen.

Beherrschendes Thema der ESI SimulationX Conference war das Model Based Systems Engineering (MBSE). Parallel laufende Sessions aus den Bereichen Automotive, Baumaschinen, Maschinenbau, Aerospace und Energietechnik gaben einen praxisbezogenen Einblick in den Einsatz von SimulationX in den unterschiedlichsten Projekten. Am zweiten Konferenztag standen vor allem die neuen Features und Möglichkeiten des Release SimulationX 4.0 im Vordergrund.

Im Rahmen der ESI SimulationX Confererence wurde auch in diesem Jahr wieder von der ESI-ITI-Jury der Best Paper Award verliehen: die Gewinner des Best Paper Award sind: Georg Festag, Ford Motor Company; Stefan Heinrich, TU Chemnitz; Dr. Tobias Rodemann, Honda Research Institute Europe. 

Nächstes Jahr empfangen wir Sie dann im Rahmen des ESI Forum in Germany, in Berlin vom 6. bis zum 7. November. Nähere Informationen zur Veranstaltung und zum Call for Papers erfahren Sie rechtzeitig auf der Homepage der ESI Group.

Beiträge 2018

Keynotes

Kaname Kawatsu, Japan Aerospace Exploration Agency

Model-based approaches toward risk assessment and design evaluation, aiming to realize affordable and reliable space systems such as space craft and launch vehicle, and to support the challenge of a trial study on advanced health management technology for affordable maintenance cost and system robustness have been constructed and adapted in several applications at JAXA. These approaches are realized by utilizing multi-physics system-level modeling and simulation with tool-chain based on SimulationX. This tool-chain consists of a framework for parametric study and optimization, Python language data-science scheme, and several physics domain simulation tools that support the Function Mockup Interface (FMI) standard.

Leo Stocco, Orbitless Drives

Offset and Planetary drives are the two fundamental gearing configurations which are the foundation of the gearing industry. Typical advancements in gear technology are improvements to Offset and/or Planetary drives which are straightforward to verify because gear simulation packages already support these configurations. The Orbitless Drive is a recently patented technology that is fundamentally different. Like an Offset drive, it is comprised entirely of pinions, and like a Planetary drive, it is epicyclical and inline, but uses a second, offset carrier to compensate for the absence of a ring gear. Fundamental innovations such as this are more difficult to verify since their unique features are generally not supported by existing software simulation packages. The offset carrier is an unusual component that is beyond the scope of most existing simulation packages. Either the high complexity of finite element analysis (FEA) or the high cost of physical prototyping are the only alternatives to identify its strengths and weaknesses. In this paper, it is shown how SimulationX Multi-Body System (MBS) modeling is used to bridge this gap and provide a fast and easy means of simulating a truly new and otherwise unsupported gearing configuration. It is first used to compare the efficiency and NVH characteristics of an Orbitless and Planetary drive. It is then used to plot the efficiency of a second new configuration, the Compound Orbitless drive.

Dr. Marcel Gottschall, ESI

Disciplines, domains and levels of engineering are often separated into silos. The digital thread spanning from early design phases to product deployment or further aims to overcome silo boundaries. It is, however, often dominated by unmanaged exchanges and interactions which impacts the traceability and automation capabilities of the development process. This paper will introduce ESI’s approach to support the digital thread in a managed environment therefore shifting the digital thread towards a digital tapestry.

Automobiltechnik/Transportwesen

David Meinel, FAU Erlangen

Schwankende Steuersignalverzögerungen beim Beschleunigen oder Bremsen eines Zugsystems können zu Längsschwingungen zwischen den Abteilen führen, die durch die mechanischen Kupplungen zwischen benachbarten Abteilen und die Massenträgheit verursacht werden. Die Vibrationen im Zugsystem können den Fahrkomfort reduzieren und die beteiligten Komponenten belasten. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen von Längsschwingungen und die damit verbundenen Parameter genau zu kennen. Mit dem Modelica-Tool SimulationX können die Eigenschaften der Koppler über Wertetabellen definiert und die Bewegungsgleichungen des Zugmodells beschrieben und simuliert werden. Mehrere Zugmodelle mit unterschiedlicher Anzahl von Abteilen wurden entworfen und in verschiedenen Latenzszenarien eingesetzt, einschließlich einer Analyse der Empfindlichkeit des Systems. Nach diesem Ansatz konnten die Auswirkungen unterschiedlicher Kompartimentmassen, unterschiedlicher physikalischer Parameter der mechanischen Kupplung sowie unterschiedlicher Signalverzögerungen quantisiert werden. Die Ergebnisse unterstützen die Erreichung gültiger Produktdesigns im Hinblick auf akzeptable Längsschwingungen für die Zukunft.

zum Paper

Maximilian Zinner, ARRK Engineering Division

1D simulation is widely used for the dynamical simulation of the drivetrain system mechanics in the automotive area in order to identify resonance effects, critical parts and expected crucial rotational speeds already in the early design phase. In this work, a method is introduced which makes it possible to strongly reduce large-scale, structural dynamic Finite Element (FE) models using Krylov Subspace Method (KSM) in order to simulate its full 3D vibrational behavior within SimulationX and additionally evaluate the acoustic behavior directly on the reduced model. First, the determination of optimal reduction parameters is introduced in order to achieve smallest system size at high accuracy of the system. Second, a method is outlined to directly evaluate the acoustic behavior, namely the Equivalent Radiated Power (ERP), out of the reduced system space directly in SimulationX. With this procedure, it is possible to efficiently evaluate the acoustic behavior of a system, not only for different specific frequencies and loads, but also for specific load cycles in the time domain, e.g. the behavior of curb crossing or the full lap of a test circuit, which would lead to an untenable amount of resources using common methods. Via the example of a gearbox housing of a full electric vehicle, a comparison between the described process in SimulationX and results from a complete 3D FE model is drawn.

Georg Festag, Ford

The objective of powertrain Noise Vibration and Harshness (NVH) development is to achieve the desired level of NVH refinement in an efficient manner. Virtual methods (Computer Aided Engineering [CAE]) are an integral part of the NVH development process. SimulationX is part of Ford’s software portfolio for NVH analysis. Typical areas of application of SimulationX include:
• NVH target setting
• Compatibility assessment of powertrain design assumptions with NVH targets
• Upfront, robust design optimization using Design For Six Sigma principles
• Development of best-value design solutions
• Assessment of NVH status-to-target at key milestones
• Design validation efficiency
• NVH concern resolution

Mobile Arbeitsmaschinen/Bergbau

Sebastian Voigt, IBAF

Der Beitrag beschreibt den Einsatz von SimulationX in der Entwicklung einer Parallelsteuerung für ein Untertagefahrzeug bei IBAF. Das Prinzip beruht auf einer Lageregelung der Hydraulikzylinder einer Auslegerkinematik. Für Reglerentwurf und Reglereinstellung wurde ein domänenübergreifendes Simulationsmodell erstellt. Die benötigten Algorithmen wurden in das Gesamtmodell integriert, so dass das System bereits vor der Inbetriebnahme an der Maschine erfolgreich getestet und voreingestellt werden konnte.

Dr. Manuel Bös, Liebherr Bischofshofen

Dieses Paper beschreibt den Entwicklungsprozess und die Tool-Kette, welche bei einem aktuellen Projekt zum Einsatz kamen, dessen Ziel es war die beste Steuer- und Regelarchitektur für das Pfadfolge-Modul eines autonomen Radladers zu ermitteln. Die Kombination eines detaillierten SimulationX Multi-Domänen-Modells und einer automatisierten Simulationssteuerung mittels des COM-Interfaces zu Matlab inklusive Datenverarbeitung und –visualisierung führte zu schnellem Projektfortschritt. Auf Basis eines Test- und Variantenkatalogs wurden verschiedene Regler-Architekturen getestet und deren Leistungsfähigkeit für verschiedene Soll-Pfade und Fahrzeugzustände automatisch quantifiziert. Lediglich die Architektur, welche sich als geeignetste erwiesen hat, wird im weiteren Verlauf des Projekts auf der realen Maschine implementiert, womit aufwendige Versuchsfahrten vermieden und Entwicklungszeit eingespart werden.

Oliver Koch, Technische Universität Dresden, Institut für Mechatronischen Maschinenbau

Der Beitrag fokussiert einen effizienten Einsatz der Simulation für die Softwareentwicklung von Maschinensystemen. Die Autoren stellen auf Basis von Komponenteninformationen der Zulieferer Modellierungsmöglichkeiten des Antriebssystems eines Radladers vor, zeigen Aspekte der Performancesteigerung und stellen die Berechnungsergebnisse mit Messungen der realen Maschine gegenüber. Abschließend beschreibt der Beitrag einen Ansatz zur Anbindung von SimulationX an die Antriebssoftware.

Florian Wiest, Liebherr-Werk Biberach

Es wird ein Antriebsstrang eines Kranhubwerks vom Steuergerät bis zur Last betrachtet. Die beteiligten Regler werden identifiziert, beschrieben und für 50% der Maximallast optimiert. Anschließend wird die Parametrierung für eine Spreizung von 0% - 125% der Maximallast getestet. Als Qualitätskriterium wird die Welligkeit des Stellmoments herangezogen. Das Ergebnis zeigt, dass es möglich ist, zuverlässige Reglereinstellungen für diese Anwendung zu finden. Weiterführend sollte die einfach modellierte Frequenzumrichter-Motor Kombination detaillierter werden. Darüber hinaus soll ein Zusammenhang der Reglerparameter, der physikalischen Eigenschaften des Hubwerks und der Zuverlässigkeit des Reglers hergestellt werden, womit Anfangswerte für die Reglerparametrierung anderer Hubwerke errechnet werden können.

Uwe Köhler, Leag & Dr. René Noack, ESI ITI

Der kombinierte Einsatz der Simulationstechnologie im qualitativen Abgleich mit einer bestehenden Anlage bietet hervorragende Möglichkeiten, sehr differenziert nach energetischen Optimierungsansätzen bei sehr verschiedenen Betriebssituationen zu suchen. Durch die Abkehr von direkten Tests an komplexen Anlagen sind auch Optimierungspotentiale identifizierbar, die eine wirtschaftliche Umsetzung für die Unternehmen ermöglichen. Im Vortrag wird dieses Verfahren am Beispiel eines einzelnen Gurtförderers vorgestellt. Insgesamt kann also der methodische Ansatz eines „Digitalen Zwillings“ eine wertvolle Unterstützung bei der Umsetzung der Anforderungen eines Energiemanagements gemäß ISO 50001 sein.

Energietechnik

Elisabeth Eckstädt, Innius

Bei der Planung gebäudeenergetischer Anlagen sind vielfältige Rahmenbedingungen wie Nutzeranforderungen, Wetter und gesetzliche Anforderungen zu berücksichtigen und hinsichtlich mehrerer Kriterien, z.B. Primärenergie und Kosten, zu optimieren. Anhand eines Projektbeispiels wird ein Workflow vorgestellt, um den Planungsprozess mittels Anlagensimulation zu unterstützen.

Julian Formhals, TU Darmstadt

Der Ausgleich der zeitlichen Differenz zwischen dem Bedarf von Heizwärme im Winter und dem großen solaren Angebot im Sommer kann durch solar unterstützte Nahwärmenetze mit saisonalem Erdwärmesondenspeicher erfolgen. Vorweg durchgeführte transiente Simulationen unterstützen hierbei die Planung der Systemarchitektur und der Regelungsstrategie und tragen so zu einem energieeffizienten und ökonomischen Betrieb bei. Um den zahlreichen Wechselwirkungen zwischen Erdwärmesondenspeichern und den weiteren Systemkomponenten Rechnung zu tragen und gleichzeitig einen hohen Grad an Detaillierung zu ermöglichen, wird der Ansatz einer gekoppelten Simulation verfolgt, bei dem das solar unterstützte Nahwärmenetz in SimulationX und der Erdwärmesondenspeicher in FEFLOW (FEM) simuliert werden. Hierzu wurde mit Hilfe der Modelica Device Drivers-Bibliothek eine TCP/IP-Kopplung zwischen den beiden Programmen entwickelt, die eine adaptive Steuerung der Kommunikationsschrittweiten zwischen den Programmen erlaubt. Für die Auslegung, Parametrisierung, Simulationssteuerung und Auswertung von Fallstudien findet des Weiteren eine Kopplung von SimulationX mittels der umfangreichen COMSchnittstelle mit Mathematica statt. Anhand einer Fallstudie wird anschließend die Einbindung eines Erdwärmesondenspeichers und von Solarthermie-Kollektoren in das Nahwärmenetz der TU Darmstadt untersucht. Der Einfluss verschiedener Netz-Vor- und Rücklauftemperaturen sowie der minimalen Entladetemperatur des Speichers wird hierbei anhand energetischer, ökologischer und ökonomischer Faktoren beurteilt.

Dr. Pio Lombardi, Fraunhofer IFF

The integration of volatile renewable energy sources, such as wind and sun, into the electric power system is a big challenge. Many solutions have been investigated in recent years. Among them, the use of flexibility options, such as energy storage systems or active consumers, and the concept of multienergy systems have attracted the attention of many researchers. Within this study, a methodology for planning net zero energy systems has been developed. It considers a residential multienergy system in which electricity, heat and transportation have been contemplated simultaneously. Technical, economic and social analysis have been performed to evaluate the size of the components (generation) and the investment costs necessary.

Shaghayegh Kazemi Esfeh, DNVGL

In this paper a model of a solid oxide fuel cell (SOFC) stack is presented, as well as simulation results from its operation within a power supply system onboard a large cruise ship. The stack model of the fuel cell includes electrochemical and thermal behaviour, considering ohmic, activation and concentration losses. For the usage of different fuels, the complete model of the SOFC system contains an autothermal reformer, a catalytic burner and heat exchangers. The power supply system for a one-week journey of a cruise ship is simulated and the efficiency and fuel consumption of different power plant layouts are compared and discussed.

Dr. Tobias Rodemann, Honda Research

Dieser Artikel beschreibt die Simulationsumgebung eines vernetzten Gebäudekomplexes mit lokaler Energieerzeugung, steuerbaren Verbrauchern und Energiespeicherung in Verbindung mit Elektromobilität. Für diesen Gebäudekomplex soll die Gesamtenergieeffizienz gesteigert werden, um Kosten und Treibhausgasemissionen reduzieren zu können. Hierfür wurde ein „Digital Twin“ der betrachteten Gebäude und Fahrzeuge inklusive Energieversorgung und Ladeinfrastruktur entwickelt, welcher auf den Simulationsmodellen der Green City Bibliothek in SimulationX aufbaut. Dieser „Digital Twin“ wird vorrangig zum Testen effizienter, neuartiger Systemkonfigurationen und zur Entwicklung von Energiemanagementsystemen eingesetzt. Um diese fortgeschrittenen Steuerungskonzepte testen zu können, nutzen wir die Functional Mockup Interface (FMI) Technologie, mit Hilfe derer wir die entwickelten Simulationsmodelle mit in Python geschriebener externer Steuerungssoftware verknüpfen.

David Wildner, HTW Dresden

Das Forschungsprojekt KollWeb 4.0 hat es zum Ziel, eine maschinell automatisierte Erdwärme-Erschließungstechnik zur flächenkonkurrenzfreien Gewinnung von Geothermie unter Kulturflächen zu schaffen, deren originäre Nutzung dadurch nicht beeinträchtigt werden soll. Dem Projekt vorausgegangen sind industrielle Forschungen zur Bodenwerkzeugentwicklung, welche in Pilotanwendungen erfolgreich getestet wurden [1], [2]. In weiteren Untersuchungen zeichnete sich ein Marktdefizit an adäquaten Trägermaschinensystemen ab. Angesichts des Standes der Technik lassen sich die technischen Anforderungen nur mit einer Neukonstruktion qualifiziert verwirklichen. Aus diesem Grund wird im Forschungsverbund mit der Technischen Universität Dresden, der Doppelacker GmbH, dem Zentrum für angewandte Forschung und Technologie e.V. (HTW Dresden) und der GWT-TUD GmbH ein Funktionsmuster für eine solche Verlegetechnologie entwickelt. Die Entwicklung des Demonstrators zeigte bereits, dass hauptsächlich zwei Herausforderungen bestehen, um ein optimales Hydrauliksystem zu entwickeln. Zunächst existieren keine Lastkollektive für die umzusetzenden Funktionen. Auf der anderen Seite gibt es kein Simulationsmodell, welches die entsprechenden Belastungen und Bewegungsabläufe verarbeiten kann, um anschließend verschiedene Varianten des Hydrauliksystems zu vergleichen und eine energieeffiziente Lösung abzuleiten [3]. Weiterhin existiert keine Steuerungsstrategie, die die komplexen Anforderungen und Rückwirkungen aus dem Prozess berücksichtigt, das Hydrauliksystem effizient darauf abstimmt und somit die Prozesskosten und –zuverlässigkeit anforderungsgerecht gestaltet. Der Schwerpunkt dieses Artikels liegt auf der Beschreibung des Vorgehens zur Entwicklung eines optimalen Hydrauliksystems sowie der Ableitung von grundlegenden Betriebsstrategien für eine solche Maschine. Es wird aufgezeigt, welche Wechselwirkungen zwischen Fahrantrieb, Raupenfahrwerk, Werkzeugkinematik und Erdboden betrachtet werden müssen und wie diese Zusammenhänge das Hydrauliksystem und eine mögliche Betriebsstrategie beeinflussen. Es wird dargestellt, wie diese Problematik mittels hydraulischer Systemsimulation, Mehrkörpersimulation der Kinematik und Co-Simulation für das Raupenfahrwerk bearbeitet wird.

Maschinenbau

Natalie Osti, Voith Paper

In der Papier- und Zellstoffindustrie wird eine Zellstoffbahn in einem kontinuierlichen Prozess entwässert und getrocknet sowie abschließend beispielsweise durch Streichen oder Glätten veredelt. Während dieses Prozesses wird die Zellstoffbahn direkt oder von einem permeablen Band unterstützt durch einzelne Aggregate geleitet. In einem der Aggregate, der Pressenpartie, findet die mechanische Entwässerung der Fasermatte statt. Dieser Prozess bestimmt dabei in wesentlichem Maße sowohl die Produktqualität als auch die Gesamtenergieeffizienz des Papierherstellungsprozesses. Andererseits ist er einer der komplexesten physikalischen Prozesse des Papiermachens, indem sowohl Zweiphasenströmung durch poröse Medien, Deformation des Materials als auch thermische Effekte zu berücksichtigen sind. Die Modellierung und Simulation dieses Prozesses ermöglicht Einsichten in die Mechanismen des Abtransports von Wasser, die messtechnisch nur begrenzt erfassbar sind. Somit unterstützt sie die Produktentwicklung der Pressenpartie sowie der dort eingesetzten permeablen Bänder. Der Vortrag präsentiert die, teilweise in Zusammenarbeit mit ESI ITI GmbH, entwickelte Modellbibliothek des kontinuierlichen mechanischen Entwässerungsprozesses und vergleicht erste Ergebnisse des SimulationX-Modells mit Resultaten aus Pilotversuchen.

Ruediger Kampfmann, Bosch Rexroth

Die steigende Forderung nach effizienteren und leistungsfähigeren Maschinen sorgt für eine zunehmende Komplexität bei der Entwicklung. Um auf lange Sicht die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten, ist es gleichzeitig notwendig, die Timeto-Market und somit die Entwicklungszeiten weiter zu reduzieren. Ein Ansatz, um mit dieser Herausforderung umzugehen, ist die Verwendung modellbasierter Entwicklungsmethoden. Dies bedeutet, dass der gesamte Entwicklungsprozess, von der Anforderungsdefinition bis in die Phase des Betriebs, durch Modelle begleitet und unterstützt wird. Hierbei ist insbesondere die Virtuelle Inbetriebnahme ein wichtiger Anwendungsfall. Für die Durchführung der Virtuellen Inbetriebnahme wird üblicherweise die reale Anlagensteuerung mittels Hardware-in-the-Loop mit dem Anlagenmodell gekoppelt, um auf diese Art und Weise die Steuerungsapplikation zu testen. Hierfür muss normalerweise sowohl die Modellausführung als auch die Datenübertragung in Echtzeit erfolgen. Dies erfordert Aufwände im Bereich der Modellvereinfachung und zum Aufbau der Kommunikation. In diesem Beitrag wird daher eine Kopplungsstrategie vorgestellt, die diese Echtzeitanforderungen nicht benötigt. Anschließend werden die Vorteile dieser Kopplungsart unter Verwendung von SimulationX und einer Rexroth Industriesteuerung an einem Hauptantrieb einer hydraulisch angetriebenen Presse demonstriert.

Georg Ivanov, Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau

Herkömmliche Werkzeugmaschinenspindeln sind ab Werk mit einer festen Lagervorspannung ausgestattet. Je nach Vorspann-Niveau ist das Einsatzgebiet einer Werkzeugmaschine auf bestimmte Bearbeitungsaufgaben beschränkt. Im Rahmen eines durch die europäische Förderinitiative EFRE geförderten Verbundprojektes des ICM e.V., der Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH und der SITEC Automation GmbH wurde eine neuartige adaptronische Werkzeugmaschinenspindel entwickelt. Die Spindel bietet die Möglichkeit einer variablen bedarfsgerechten Einstellung der Wälzlagervorspannung, wodurch das Bearbeitungsspektrum der Werkzeugmaschine deutlich erweitert werden kann. Funktionsprinzip ist ein in die Hauptspindel integriertes rotationssymmetrisches hydraulisches Lagervorspannelement, das mit Hydrauliköl gefüllt und vor dem Außenring der hinteren Lagerstelle angeordnet ist. Ziel der im aktuellen EFRE Förderprojekt „Peripherie- und Komponentenentwicklung für eine adaptronische Hauptspindel“ durchgeführten Systemsimulation war die Auslegung der elektrohydraulischen Ansteuerung des Vorspannelementes sowie die Entwicklung einer optimalen Regelungsstruktur und deren Parametrierung.

Jürgen Frank, Schuler

Das vorliegende Paper behandelt einen mehrstufigen Warmumformungsprozess an einer Presse zur Herstellung von Achsteilen aus dem Bereich Automotive. Die bei dem Prozess auftretenden Kräfte und Temperaturen stellen hohe Anforderungen hinsichtlich thermischer Stabilität und Prozessgenauigkeit an die verwendeten Umformwerkzeuge und die Maschinenkonstruktion. Zur Regulierung der auftretenden Oberflächentemperaturen am Umformwerkzeug ist eine gezielte Auslegung der inneren und äußeren Kühlung notwendig. Bei der Innenkühlung wird eine Kühlflüssigkeit über interne Leitungskanäle bis zur Werkstückspitze transportiert. Für die äußere Kühlung kommt eine Sprühkühlung zum Einsatz. Die äußere Kühlwirkung wird insbesondere durch den Benetzungszustand der Oberfläche und die Abkühlzeiten beeinflusst. Der Artikel stellt einen ganzheitlichen Ansatz auf der Basis eines diskreten Simulationsmodells mit konzentrierten Parametern dar, welcher eine gezielte Temperaturbegrenzung durch die Kühlwirkung als auch eine Temperaturführung während des Umformprozesses erlaubt. Zur Beschreibung des Temperaturverhaltens erfolgt eine simulationsgestützte Analyse der Temperaturverteilung im Umformdorn, Matrize und Werkstück. Die Ergebnisse der Simulation werden mit vorliegenden Messdaten verglichen. Das validierte Gesamtmodell des Umformprozesses ermöglicht eine gezielte Wahl und Auslegung der inneren und äußeren Kühlung. Bei der Innenkühlung betrifft dies beispielsweise die Temperatur und Menge des zugeführten Kühlmittels. Die Wirkung des Kühlsprays hängt wiederum von der Wirkungsdauer und Platzierung der Kühldüsen ab.

Fabian Holzheu, Niehoff

Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung eines Mechatronik-Modelles eines 5-Achsen Antriebsverbundes einer Draht-Produktionsmaschine im Bereich Verlitz- und Verseilanlagen der Maschinenfabrik NIEHOFF GmbH & Co. KG. Das Ziel: Effizientere Entwicklungsprozesse und ein verbessertes „Time to Market“ beim Testen und Erproben zu erreichen, ergab die Einführung der CAE-Software SimulationX. Nachfolgend wird der Nutzen dieses mechatronischen Simulationsmodells bei NIEHOFF vorgestellt. Es können vorab wichtige Erkenntnisse bezüglich elektronischer und mechanischer Konstruktion gezogen werden. Gezeigt wird die methodische Umsetzung. Dargestellt ist ein Verbund aus Mechanik, Elektrik, Software und der Regelungstechnik. Zudem werden ausgewählte Szenarien (Minimieren von Stillstandszeiten beim Kunden und neue Anforderungen an die Maschinenfähigkeit) erläutert. Die Szenarien veranschaulichen, wie die richtigen Einstellungen für eine Drahtproduktionsmaschine gefunden werden können.

Achim Lamparter, Uraca

The pressure fluctuations initiated in a pipeline system by oscillating displacement pumps are analysed by pulsation studies with the aid of SimulationX. The analysis covers the complexity of the entire system, of the pump itself, of the connected pipeline system and the physical fluid properties. The calculation in SimulationX is performed with the pipe model on the basis of the characteristics method. With the aid of the pulsation study, URACA can ensure as early as in the system design stage that the entire system will work reliably and safety in the real process. The simulation calculations were validated with measurements on the trial test bench. During the course of this, it was possible to measure the pressure and time curves at various positions and to compare simulation results and measured values in the real-time curve.

Stefan Heinrich, TU Chemnitz

Die Entwicklung ebener Koppelgetriebe als nichtlinear übersetzende Antriebe in Verarbeitungsmaschinen stellt bis heute ein domänenübergreifendes Fachgebiet des Maschinenbaus dar. Auf der einen Seite gilt es, die Koppelgetriebe möglichst effizient in einer sich stetig wandelnden Softwarelandschaft zu synthetisieren (geometrische Maßfindung der Getriebeglieder) und auf der anderen Seite steigen die mechanischen Anforderungen. Aus diesem Grund besteht der Wunsch nach einer Vereinigung von Synthese und Analyse (kinematisch sowie kinetisch) in möglichst einer Programmumgebung. Basierend auf dem zum 18. ITI Symposium im Jahr 2015 vorgestellten modulbasierten Analyse-Synthese-Parameter-Abgleich (ASPA) ist in den vergangenen Jahren eine umfangreiche Bibliothek zur modulbasierten Synthese ebener Koppelgetriebe in SimulationX entstanden. Der Beitrag zeigt am Beispiel eines 14-gliedrigen Pressenantriebes, welche neuen Möglichkeiten im Kontext von ASPA innerhalb von SimulationX durch diese Bibliothek entstanden sind. Basierend auf vorausgegangenen Arbeiten wurde erstmals die Möglichkeit der Synthese des Getriebes mittels Maßsynthese bei einer gleichzeitigen Beeinflussung der Gelenkkräfte und Bewegungsverläufe nachgewiesen. Dabei kam der Variantenassistent in SimulationX für die Ermittlung der Parametersensitivitäten zum Einsatz. Das Einbinden von parametrisierten Trägheitskenngrößen auf Basis vereinfachter Volumenkörper ermöglichte hierbei die Berücksichtigung der Bauteilmassen während der Synthese. Die Möglichkeit der gleichzeitigen Beurteilung kinematischer und kinetischer Kenngrößen während der Synthese ist an dieser Stelle ein besonderes Merkmal des Konzeptes ASPA.

Schnittstellen

Dr. Katja Backhaus, IST

This paper introduces the FIRST simulation technique and the proceeding to perform coupled simulations with SimulationX hydraulic models emulating the oil supply of tribological contacts. Two different coupled hydrodynamic and hydraulic systems are presented to show the capability of oil supply investigations. In a pump assembly, where different contacts where fed by fluid from the pressure chamber, the leakage flow out of the bearings on the other hand interacts on the pressure gained in the chamber. For the oil duct between a main and a conrod bearing of a combustion engine, allowance has to be made not only for in-pipe flow but also for centrifugal forces acting on the lubricant. The oil supply to the conrod bearing is interrupted when pressure falls below the cavitation pressure at the point with the lowest build-up of centrifugal force. Depending on the bearing filling and shaft movement that may lead to cavitation problems. New developed cavitation indicators have to be evaluated to determine the risk of cavitation damage on the running surface of the big end conrod bearing.

Dr. Claudia Bellanger, Torsten Blochwitz, Khaled Alekeish ESI ITI

Während des Entwicklungsprozesses werden die Entwicklungsaufgaben immer häufiger in ein früheres Stadium verlagert, um Zeit und Geld zu sparen. In dieser Phase sind Hardware-in-the-Loop-Prüfstände oder Co-Simulationen unerlässlich. Diese Aufgabe beinhaltet die Kopplung mehrerer (Echtzeit-)Systeme und erfordert immer noch einen hohen Aufwand, wenn diese von verschiedenen Tool-Anbietern stammen. Das Forschungsprojekt ACOSAR hat das Ziel, eine herstellerunabhängige Kommunikationsarchitektur, das so genannte Distributed Co-Simulation Protocol (DCP), für die effektive und effiziente Integration und Kopplung von Echtzeit- und Nicht-Echtzeitsystemen zu entwickeln. Zunächst werden die allgemeinen Merkmale von DCP, sowie die Realisierung in SimulationX vorgestellt. Die SimulationX DCP-Library, die Slave-Implementierung innerhalb von SimulationX und die Anwendung für Soft-Echtzeit- und Nicht-Echtzeit- Simulationen werden diskutiert. Im zweiten Teil wird ein spezieller Use Case aus der Automobilindustrie präsentiert. Dabei handelt es sich um die Co-Simulation eines Fahrzeugs mit konventionellen Antriebsstrang. Die beiden Teilmodelle sind mit SimulationX und dSPACE ASM umgesetzt. Die Soft-Echtzeit-Kopplung erfolgt über die DCPSchnittstelle.

Daniel Zinsmeister, TU München

In der Industrie und Forschung wurden diverse Programme und Modelle zur Simulation von Energiesystemen entwickelt. Um simulierte Ergebnisse zu bewerten und zu beurteilen sind allerdings weiterhin experimentelle Untersuchungen notwendig. Um bei diesen experimentellen Untersuchungen nicht mit empirischen, vorgegebenen Daten arbeiten zu müssen, ist eine simulierte, dynamische und auf äußere Einflüsse reagierende Umgebung notwendig. Dies wird mit Hilfe von Hardware-in-the-Loop (HiL) ermöglicht. In diesem Beitrag werden zwei experimentelle Anlagen und deren Forschungsansätze beschrieben, welche aktuell und in Zukunft vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der TU München mit betrieben werden. Am Beispiel dieser Anlagen wird beschrieben, in welchen Umfang SimulationX in HiL eingesetzt werden kann um Teile des Systems abzubilden und worin die Vorteile dieser Vorgehensweise liegen.

Integration

Dr. Stephan Husung, :em Engineering

Seit mehreren Jahren ist in der Industrie eine immer stärkere Mechatronisierung zu verzeichnen. Dabei spielen Aspekte, wie die Miniaturisierung, Funktionsintegration, Sicherheitserhöhung oder Funktionserweiterung durch Vernetzung mit andern Systemen eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus findet bei vielen Unternehmen ein Wandel von der Komponentenorientierung hin zur Funktionsorientierung statt. Stand früher das Produkt selber im Vordergrund, so verlangen immer mehr Kunden die Realisierung einer geforderten Funktion mit garantierter Verfügbarkeit. Durch Reifegrad-Vorgaben, wie SPICE, und Sicherheitsanforderungen, wie IEC 61508, werden darüber hinaus Nachweispflichten gefordert, die mit heutigen Entwicklungsprozessen, -methoden und werkzeugen nur schwer bewältigt werden können. Diese Vielzahl von Herausforderungen führt bei den Unternehmen zu einem Umdenken. Für die Bewältigung der komplexen Herausforderungen wird die Anwendung des Model-Based Systems Engineering (MBSE) zunehmend zu einem echten Wettbewerbsvorteil. MBSE unterstützt dabei den Umgang mit der Produktkomplexität aber auch der Komplexität des Entwicklungsprozesses. Ein zentrales Element des MBSE-Ansatzes ist die Systemmodellierung. Das Systemmodell ist Basis für die domänenübergreifende Systemspezifikation und Abstimmungen zwischen den Entwicklern sowie erste Systemverifikationen. Hierfür werden aus dem Systemmodell abgeleitete Domänenmodelle erzeugt und über die im Systemmodell spezifizierten Schnittstellen derart miteinander gekoppelt, dass eine Gesamtsystemanalyse und -simulation möglich wird. Im vorliegenden Beitrag wird ein Konzept zur durchgehenden Modellnutzung von der Systemspezifikation bis hin zur Verifikation mechatronischer Systeme in frühen Entwicklungsphasen unter Nutzung von SimulationX vorgestellt. Der dargestellte Ansatz wird anhand eines konkreten Praxisbeispiels aufgezeigt.

Stephan Seidel, Fraunhofer IIS

In vielen industriellen Produktionsprozessen ist Energie einer der größten Kostenfaktoren. Speziell in energieintensiven Prozessen wie beispielsweise der Stahlproduktion oder bei der Glasveredlung ist die Minimierung des Energieeinsatzes eine der wichtigsten Maßnahmen zur Ressourceneinsparung und Verringerung der Herstellungskosten. Das Forschungsprojekt OptPlanEnergie fokussiert die Herstellung von Sicherheitsglas. Es wird dabei simulationsbasierte Optimierung zur Identifikation und Verringerung von Energieverlusten welche während des Produktionsprozesses auftreten, angewandt. Das Projektziel ist eine Toolchain zur Erstellung hoch performanter Simulationsmodelle der wichtigsten energieintensiven Produktionsschritte, welche dann in das Advanced Planning and Scheduling (APS) Framework importiert werden. Dieses Framework führt die Optimierung der Produktionsabfolge und die Kapazitätsplanung zur Minimierung der Energie aus. In OptPlanEnergie wird prototypisch die Herstellung von Sicherheitsglas optimiert, allerdings ermöglicht es der Einsatz von Functional Mockup Units das Framework auch in anderen energieintensiven Industrien zu verwenden.

Dymtro Adamenko, Uni Duisburg

Durch die stetige Weiterentwicklung der Anforderungen an Anlagen und deren Komponenten steigt deren Komplexitätsgrad immer weiter an. Da viele verschiedene Disziplinen an der Planung beteiligt sind, gestaltet sich die Kommunikation und der Datenaustausch schwierig. Eine vorausschauende Entwicklung während der Planung der Anlage kann in den späteren Phasen verschiedene Engineering-Prozesse deutlich vereinfachen. Deswegen ist es besonders wichtig, bereits im früheren Phasen des Anlagenlebenszyklus wie Basic-Engineering die Funktion und Sicherheit der gesamten Anlage sowie von den einzelnen Komponenten und Subsystemen sicherzustellen. Sowohl die den Betriebszustand und Komponenten beschreibenden Daten, als auch die Simulations- und Berechnungsergebnisse müssen demnach zu jedem Zeitpunkt verfügbar sein. Dabei handelt es sich speziell um komplexe Verknüpfungen zwischen Anforderungen und den einzelnen Komponenten unter sich, um mögliche Beeinflussungen von Änderungen zu verdeutlichen. Die Systemtechnik und insbesondere die modellbasierte Systementwicklung haben sich in diesem Bereich bewährt. Mit dieser Methode kann ein durchgehendes Datenmodell während der Planung auf den verschiedenen Entwicklungsebenen erstellt werden.

Neuentwicklungen

Tom Wiedemann, ESI ITI

Im Rahmen eines Forschungsprojektes der ESI ITI GmbH in Zusammenarbeit mit der TU Dresden entsteht eine modular aufgebaute Fahrwerksbibliothek für SimulationX. Die Bedatung erfolgt konsistent und anwederfreundlich mit einer Parametrierstraße bestehend aus verschiedenen Prüfständen. Die Messungen erfolgen auf Komponenten-, Subsystem- und Gesamtfahrzeugebene. Neben Geometrie- und Massedaten können beispielsweise auch Charakteristiken der für die Elastokinematik entscheidenden Fahrwerksgummilager ermittelt werden. Durch geeignete Auswertungen werden Modellparameter direkt bestimmt oder durch Optimierung bestimmt. Die Fahrwerksbibliothek zum Aufbau der Fahrzeugmodelle enthält neben wesentlichen Komponenten des Fahrwerks wie Lenker-, Stoßdämpfer- und Lagermodelle auch vorgefertigte Templates für alle gängigen Achstypen sowie Modellelemente für Fahrer, Strecke und Umgebung. Der Detailierungsgrad der Achsen reicht von kennlinienbasierten Modellen für die Fahrdynamik bis hin zu detaillierten Mehrkörpermodellen mit Berücksichtigung der Elastokinematik. Die Umschaltung des Detailierungsgrades ist mit wenigen Klicks möglich. Die Übergabe der auf der Parametrierstraße ermittelten Parameter erfolgt tabellenbzw. skriptbasiert in einem zentralen Parameterblock, so dass die Parametrierung übersichtlich an einer Stelle gebündelt ist. Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass die Parametrierung direkt auf die Modellstruktur zugeschnitten ist und valide Modelle entstehen.

Annabel Effner, TU Dresden

Aufgrund steigender Anforderungen an schnellschaltende Pneumatikventile in Hinblick auf Lebensdauer, Funktionalität, Baugröße und Schaltzeit, gewinnen Festkörperaktoren zunehmendes Interesse als alternative Aktoren. Die typischen Anforderungen im Bezug auf Hub, Stellkraft und Schaltzeit in derartigen Ventilen werden dabei am besten von magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM) erfüllt. Die magneto- mechansiche Hysterese stellt jedoch auch eine Herausforderung in der Entwicklung von Aktoren dar. In der frühen Designphase eines Pneumatikventils erweist sich die Systemsimulation als unverzichtbar für die Vorhersage des Systemverhaltens. Ein Moltidomänen-Netzwerkmodell ist erstrebenswert in Hinblick auf effiziente Parameterstudien oder sogar Optimierungen. In diesem Beitrag wird eine neue SimulationX-Bibliothek für MSM-Aktoren, dessen Implementierung und Anwendung innerhalb des Entwicklungsprozesses eines Pneumatikventils vorgestellt. Sie basiert auf einem gekoppelten Modell mit einem bivariaten Tellinen-Hystereseansatz. Darüberhinaus ist die Magnetisierung berücksichtigt, um den Entwurfsprozess des Magnetkreises zu unterstützen. Für die genaue Abbildung der Hystereseflächen wurde eine neue multivariate Spline-Approximation in SimulationX implementiert. Der Vergleich erster Messungergebnisse zu Simulationsergebnissen anhand eines Demonstrators unterstreicht die Bedeutung der entwickelten Bibliothek in der frühen Entwicklungsphase.

Loading...