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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Kopplung von CAE-Methoden zur Unterstützung des Produktentwicklers


Inhalt: Die hohe Komplexität bei der Entwicklung neuer Produktgenerationen ist heute eine der größten Herausforderungen im Produktentwicklungsprozess. Eine Lösung zur Unterstützung des Produktentwicklers ist der Einsatz von computergestützten Methoden. Um jedoch die starken Wechselwirkungen neuer Produktgenerationen vorherzu-sagen, müssen die unterschiedlichen Methoden gekoppelt werden. In dieser Arbeit wird ein strategischer Ansatz präsentiert, die aktuellen Herausforderungen bei der Kopplung verschiedener Simulationsmethoden zu bewältigen. Dabei werden, basierend auf etablierten Werkzeugen, neue computergestützte Methoden entwickelt, um den Produktentwickler bei der Synthese zu unterstützen.
Abstract: Today, the high complexity of the development of new product generations is one of the greatest challenges in product development processes. One solution to support the product developer is to use computer-aided methods. However, to predict the strong interactions of new product generations, different methods have to be coupled. This work presents a strategic approach to handle the current challenges of coupling different simulation methods. Based on established tools, new computer-based methods are being developed to support the product developer in synthesis.

1 Einleitung und Stand der Forschung

Wie Studien belegen, werden Produkte in Generationen entwickelt. Dabei werden neue Produktgenerationen auf Basis von mindestens einem Referenzprodukt entwickelt. Ausgehend vom Referenzprodukt werden einzelne Teilsysteme gezielt neuentwickelt und andere übernommen, um das Entwicklungsrisiko und die -kosten gering zu halten. Die Neuentwicklungsanteile können in Prinzip- und Gestaltvaria- tion unterschieden werden. [1]
Um den Konstrukteur bei der Entwicklung neuer Produktgenerationen zu unterstützen, werden diverse computergestützte Methoden verwendet. Sie ermöglichen es dem Konstrukteur, im Entwicklungsprozess schneller Iterationen durchzuführen und auf ihrer Basis Erkenntnisse für den weiteren Entwicklungsprozess zu generieren. Aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Zielen, Anforderungen und Randbedingungen bei der Entwicklung neuer Produktgenerationen, genügt es nicht, einzelne Aspekte isoliert zu betrachten und zu optimieren. Stattdessen rückt vermehrt eine ge-koppelte Betrachtung der einzelnen Methoden in den Vordergrund. Daher wird im vorliegenden Beitrag betrachtet, wie Produktentwickler durch die Kopplung von computergestützten Methoden unterstützt werden können.
Bereits Kärger et al. [2] konnten zeigen, dass durch die Kopplung unterschiedlicher Simulationsmethoden zu einer CAE-Kette, Verbundwerkstoffe effizienter ausgelegt werden können. Durch den Datenaustausch in neutralen Datenformaten ist die CAE-Kette unabhängig von der eingesetzten Software anwendbar. Kübler und Schiehlen [3] zeigten, dass komplexe mechatronische Systeme einfacher modelliert werden können, wenn das Gesamtsystem in Subsysteme unterteilt wird. Die Wechselwirkungen zwischen den Subsystemen können durch die Kopplung unterschiedlicher Simulationsmethoden realisiert werden.

2 Ansatz zur Kopplung von CAE-Methoden

Das Ziel der Forschung auf dem Gebiet der Produktentwicklung ist die Unterstützung des Produktentwicklers, der das zentrale Element der Produktentwicklung darstellt. Hierbei hilft die kontinuierliche Validierung, um frühzeitig Erkenntnisse zu generieren. Die Validierung kann durch computer- gestützte Methoden unterstützt und in frühen Phasen durchgeführt werden. Dabei können die Vorteile bekannter und weitverbreiteter numerischer Methoden kombiniert werden, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Ent- sprechend wird am IPEK – Institut für Produktentwicklung ein Kopplungs-Ansatz verfolgt.
Das Kernkonzept dieses Ansatzes ist es, bereits bestehende und etablierte, kommerzielle Methoden und Werkzeuge zu koppeln, um hierdurch komplexere Probleme handhabbar zu machen und die Qualität neu zu ent-wickelnder Produkte zu verbessern. Eine Hauptaufgabe hierbei ist die Automatisierung dieser gekoppelten Methoden sowie das Bereitstellen von User-Interfaces für den Produktentwickler. Dieser Ansatz ermöglicht die Entwicklung benutzerfreundlicher Werkzeuge, die eine hohe Akzeptanz in der Entwicklungspraxis aufweisen.
Die Kopplung von computergestützten Simulationsmethoden erlaubt es insbesondere, den Produktentwickler während der Systemanalyse und -synthese zu unterstützen. Die Möglichkeit, beispielsweise den Einfluss realer technischer Oberflächen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten durch Kopplung der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit Verschleißmodellen auf Basis von „Python“-Skripten zu untersuchen, ermöglicht es, die Topographie tribologischer Systeme frühzeitig gezielt auszulegen. Ein weiteres Beispiel ist die Kopplung von 3D-Scanmethoden mit der FEM zur Auslegung auf den Patienten individuell optimierter, medizinischer Produkte. Durch den Einsatz von „Graphic User Interfaces“ (GUI) kann zudem der hohe Modellierungsaufwand komplexer Probleme anwenderfreundlich bewältigt werden.
Ein Ansatz zur Kopplung von unterschiedlichen Simulationsmethoden, der für mathematische, numerische und analytische Methoden geeignet ist, ist in Bild 1 dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Beim Ansatz zur Kopplung von Simulationsmethoden wird zwischen Umwelt und virtuellen Systemen unterschieden. Dabei liefert die Umwelt die Randbedingungen, die über Interfaces mit dem virtuellen System gekoppelt werden. Diese Interfaces können beispielsweise abgeschätzte Parameter, Datensätze wie Materialkennwerte oder Messungen am Realsystem sein. Der Detaillierungsgrad wird durch den Produktentwickler je nach Reifegrad des virtuellen Systems festgelegt. Zur Abbildung des virtuellen Systems werden verschiedene Methoden, die als Einzelmodelle des Systems verstanden werden, durch Kopplungen miteinander verbunden. Diese Einzelmodelle werden als dreistufige Blöcke dargestellt und enthalten im oberen Feld Informationen über die verwendete Methode, in der Mitte über das verwendete Tool und unten über den modellspezifischen Namen. Hierbei werden einigen vordefinierten Methoden wie beispielsweise der FEM, der Finite-Volumen-Methode (FVM) oder dem Computer-Aided-Design (CAD) spezielle Farben zugeordnet, um die Wiedererkennung der Methoden zu erleichtern (vgl. Bild 1). Bei der Inter- aktion dieser Elemente untereinander wird zwischen manueller Kopplung (gepunkteter Pfeil) und automatisierter Kopplung (durchgezogener Pfeil) unterschieden, die wiederum uni- direktional oder bidirektional ausgeprägt sein kann. Mittels dieser Kopplungen werden Parameter in Form von Parametersätzen (Px) übertragen. In Bild 1 ist eine automatische, bidirektionale Kopplung der Methoden B und C dargestellt, was beispielsweise einer Datenübertragung des Parametersatzes P4 mit automatischer Antwort entspricht. Im Gegensatz zu CAE-Ketten, die als Reihenschaltung verstanden und linear durchlaufen werden müssen, können mithilfe dieser Methodik auch beispielsweise Parallelschaltungen von Teilsystemen, Optimierungsschleifen oder andere gekoppelte Schleifen abgebildet werden, um so Teile des virtuellen Systems abbilden zu können, die parallel oder zyklisch durchlaufen werden. Als Nutzer der Methodik steht der Produktentwickler im Mittelpunkt der Produktentstehung und bildet die Schnittstelle zwischen virtuellem System und der Umgebung, um so die mithilfe der Gesamtmethodik erhaltenen Erkenntnisse in neue Produktgenerationen zu überführen.

Bild 1 Ansatz zur Kopplung von Simulationsme- thoden

Bild 1
Ansatz zur Kopplung von Simulationsme- thoden

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Autoren

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.  Albert Albers

Jahrgang 1957, ist seit 1996 Ordinarius und Leiter des IPEK – Institut für Produktentwicklung am KIT. Dort ist er für die Forschungsfelder Antriebssystemtechnik im Fahrzeug- und Maschinenbau, Produktentwicklungsmethodik und -management, Leichtbau sowie Mechatronik verantwortlich.
IPEK – Institut für Produktentwicklung am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstr. 10, Gebäude 10.23
76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/608-4 23 71
E-Mail: sekretariat@ipek.kit.edu
www.ipek.kit.edu

Dipl.-Ing. Stefan Reichert

wissenschaftlicher Mitarbeiter
IPEK – Institut für Produktentwicklung
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Campus Süd
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/6 08-4 23 71
www.ipek.kit.edu

Dipl.-Ing. Manuel Serf

IPEK – Institut für Produktentwicklung
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Campus Süd
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/6 08-4 23 71
www.ipek.kit.edu

B. Sc. Staffan Thorén

Student am IPEK – Institut für Produktentwicklung
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Campus Süd
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe
www.ipek.kit.edu

Dipl.-Ing. Nikola Bursac

Abteilungsleiter
IPEK – Institut für Produktentwicklung am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstr. 10, 76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/608-4 64 72
E-Mail: nikola.bursac@kit.edu
www.ipek.kit.edu

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