Post on 25-Oct-2019
© CADFEM GmbH, 2019
Virtuelle Produktentwicklung über alle Disziplinen
Teamwork der digitalen Modelle
Steffen Peters
CADFEM Stuttgart
Quelle: ANSYS
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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
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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
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Wie funktioniert Simulation?
Gängigster Ansatz: Finite Elemente / Volumen Methode, FEM / FVM
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 5
Quelle: CADFEM, AGCO Fendt
Aufteilen LösenModellieren
1u 2u
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)( 12 uukFFeder −=
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Elemente
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Warum simulieren wir?
Herausforderungen in der Produktentwicklung
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 6
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
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Kosten und Nutzen von Simulation
Änderungskosten während der Produktentwicklung
Wie entwickeln sich die Kosten je Änderung im Verlauf des Produktentwicklungsprozesses?
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Konzept Prototypen SerieIdee
€
Projekt-
phase
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Kosten und Nutzen von Simulation
Änderungskosten während der Produktentwicklung
Die Kosten je Änderung steigen deutlich, je weiter der Produktentwicklungsprozess fortgeschritten ist.
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Konzept Prototypen SerieIdee
Projekt-
phase
€
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Kosten und Nutzen von Simulation
Änderungskosten während der Produktentwicklung
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
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Konzept Prototypen SerieIdee
Analytik
Simulation
Test / Labor
Projekt-
phase
Analyse-
Methode
3D DruckDigitaler
ZwillingHIL*
€
*Hardware in the Loop
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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
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Foto: Courtesy of Dyson Ltd.
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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
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019
Foto: AGCO Corporation
11
Quelle: CADFEM / AGCO Corporation
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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
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019
„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
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Anwendungsspektrum der Simulation
Am Beispiel eines PKW
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Abgas-
führung
Brems-
sattel
Kurbelwelle
Motor-
KolbenBatterie
/ Akku
Kühler
Zylinder
Block
Lüfter
Klima Regelung
Abschirmung gegen Handy-SignaleAerodynamik
Quelle: ANSYS
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Herausforderung
Jede Disziplin im physikalischen
Spektrum bis ins Detail abbilden
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Anforderung an die Simulation
Physikalische und methodische Disziplinen
Stufe 1
• Einzelne Disziplinen / Felder
• Fehlersuche, Verständnis
• Neue Konzepte & Verbesserungen
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Optimierung
Elektro-
Magnetik
Strömung
Temperatur
Mechanik
ZuverlässigkeitCAD
Nachweis
Quelle: ANSYS / CADFEM
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Herausforderung
Verschiedene Disziplinen
interagieren meist miteinander.
Wie verbindet man sie?
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Anforderung an die Simulation
Kopplung von Modellen aus verschiedenen physikalischen Domänen
• Antwort des einen Modells wird als Last auf das andere aufgebracht
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Strömung Mechanik
Quelle: ANSYS / CADFEM
Druck, Temperatur
Verformung
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Anforderung an die Simulation
Physikalische und methodische Disziplinen
Stufe 2
• Gekoppelte Disziplinen / Felder
• Fehlersuche, Verständnis
• Neue Konzepte & Verbesserungen
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OptimierungElektro-
Magnetik
Strömung
Temperatur
Mechanik
ZuverlässigkeitCAD
Nachweis
Kopplung
Quelle: ANSYS / CADFEM
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Anforderung an die Simulation
Physikalische und methodische Disziplinen
Stufe 3
• Systemsimulation
• Systemverständnis
• Neue und ganzheitliche Konzepte
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Optimierung
SystemCONST
in1 out1
out2
CONST
PT1
CONST
Strömung
Temperatur
Mechanik
Elektro-
Magnetik
CAD
Nachweis
Kopplung
Strömung
Temperatur
Mechanik
Elektro-
Magnetik
MessungZuverlässigkeit
Quelle: ANSYS / CADFEM
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Realitätsnahe Simulationsmodelle
Hohe Genauigkeit durch Beschreibung der Wechselwirkung verschiedener Effekte auf
• Komponentenebene
• Systemebene
Prinzipiell möglich, aber…
→ Modellgröße kostet Rechenzeit
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Rotorblätter
Getriebe
Elektrischer
Generator
Leistungs-
elektronik
Systemverhalten einer Windkraftanlage
Quelle: ANSYS / CADFEM
SystemCONST
in1 out1
out2
CONST
PT1
CONST
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Herausforderung
Detailmodelle rechnen oft tagelang.
Kann man das beschleunigen?
Quelle: www.hlrs.de
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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)
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 22
Metamodell
Eingangs-
Signal
Ausgangs-
Signal
*Mathematisches Verfahren
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Metamodelle
Beispiele für Metamodelle:
• Lichtschalter & Leuchte• Eingang: Schaltzustand
• Ausgang 1: Leuchtstärke
• Ausgang 2: Temperatur
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Metamodelle
Beispiele für Metamodelle:
• Dehnungsverhalten im Zugstab• Eingang: Kraftverlauf
• Ausgang: Dehnungsverlauf
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 24Quelle: Wikipedia
F
L
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Metamodelle
Beispiele für 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
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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
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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
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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
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Metamodell
Metamodell
Metamodell
System
Quelle: ANSYS / CADFEM
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
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cy
cle
.VA
L
Curve Info
driving_cycle.VALTR
v_ref
mech_tv
c_s
c_b
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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
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ev
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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
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o
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pm
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o
power_o
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rpm
c
mech_rv
pmsm_hev
c_brake
c_velo
l_d
l_q
lam
bd
a_
pm
om
eg
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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
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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)
Steffen Peters | Göppinger Technikforum 24. April 2019 30
Phoenix Contact –sicherheitskritische Relais
Digitaler Zwilling für die simulationsgestützte Zustandsüberwachung und prädiktive Wartung
Quelle: Phoenix Contact
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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?
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Danke und kommen Sie gut nach Hause!
Weitere Fragen? speters@cadfem.de