Systemsimulation für mobile Maschinen: Alles aus einer Hand

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Bei der Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen steht neben der Steigerung von Produktivität und Bedienerkomfort insbesondere die Verbesserung der Energie­effizienz im Fokus. Dafür braucht es ein optimales Gesamtsystem und ein Zusammenspiel der einzelnen Subsysteme. Doch wie lassen sich die Komponenten aus unterschiedlichen Bereichen wie Mechanik, Elektronik und Hydraulik so auslegen, dass ein solches Gesamtsystem entsteht?

Systemsimulation: Bei der Entwicklung ihrer mechatronischen, hydraulischen oder regelungstechnischen Systeme setzen die meisten Hersteller bereits verschiedene numerische Simulationswerkzeuge ein, die jedoch nicht alle wichtigen Entwicklungsfragen beantworten können.

Wo diese Tools – wie bei der Kopplung der aktuierten Mechanismen mit einer Mehrkörpersimulation (MKS) – an ihre Grenzen stoßen, bietet Altair mit seinem ganzheitlichen Simulationsansatz eine zielführende Lösung: Mittels Gesamtsystemsimulation können Ingenieure die bereits vorhandenen Simulationsmodelle direkt verwenden und zum Beispiel die Hydraulik des Systems einschließlich all seiner Komponenten betrachten und zielgerichtet optimieren.

3D-Mehrkörpersimulation in zwei Detaillierungsstufen

Altairs Ansatz basiert auf einer Integrationsplattform, mit deren Hilfe ein Gesamtsystemmodell mit verschiedenen externen Umgebungen wie beispielsweise Trainingssimulatoren kommunizieren kann. Zentrales Element ist ein in Altair Activate erstelltes Gesamtsystemsimulationsmodell, das die Interaktionen zwischen Komponenten und Subsystemen ermöglicht.

Das Modell enthält die 3D-MKS-Simulation in zwei verschiedenen Detaillierungsstufen: Geht es lediglich um eine frühe Abschätzung, ermöglichen offene Standards wie Modelica eine schnelle Simulation. Für mehr Detailtiefe empfiehlt sich die Kopplung mit Altair MotionSolve, die zwar zeitaufwändiger ist, aber um ein Vielfaches genauere Ergebnisse liefert, um beispielsweise die Spannungen oder Verformungen in den mechanischen Komponenten zu evaluieren.

Diese Interaktion zwischen 1D und 3D bietet dem Anwender enorme Vorteile, da bestehende Modelle in der Regel direkt genutzt werden können. Der Anwender kann mit einer einfachen grafischen Oberfläche auswählen, welchen Genauigkeitsgrad er benötigt, und so den benötigten Zeitaufwand steuern. Die verschiedenen Detaillierungsstufen können auch bei der Kommunikation mit anderen Umgebungen genutzt werden, etwa einer IoT Plattform oder einem Joystick.

Systemsimulation: Früher Einblick in das Gesamtsystem

Schon in der Konzeptphase liefert dieser Ansatz schnell wichtige Erkenntnisse, die teure Folgekosten vermeiden helfen können. Auf dem Konzept-Level lassen sich wichtige Entscheidungen zur Komponentendimensionierung treffen, da die Auswirkungen auf das Gesamtsystem bereits erkennbar sind. In der detaillierten Auslegung können dann mittels der verfügbaren Geometrien und Massen die Auswirkungen auf die Kraft- und Spannungsverläufe betrachtet werden – dabei kann je nach gewünschter Detailtiefe mit starren oder flexiblen Komponenten im MKS-Modell gearbeitet werden. MotionSolve oder Altair Inspire bieten hier durch die Abbildung flexibler Strukturen in 3D und durch die hohe Detailtreue die Möglichkeit, selbst kleinste Abweichungen zu ermitteln.

Mit dem gleichen Datensatz kann der Entwickler die Schwingungsphänomene der mobilen Maschine betrachten, um unerwünschte Systemeigenmoden zu identifizieren und in unkritische Frequenzbereiche zu verlagern. Und nicht zuletzt bietet das Modell Einblicke in das Verhalten bei der Verarbeitung von Schüttgütern: Mit der Diskrete Elemente Methode (DEM) können die Einflüsse von Volumen und Granularität auf die Stellkräfte ermittelt werden, um eine Über- oder Unterdimensionierung von Hydraulikaggregaten, Aktuatoren oder Material zu vermeiden.

Virtual Reality-Lösung

Sowohl aus Kostengründen als auch aufgrund der nicht immer vorhandenen Zugänglichkeit zu Messdaten spielen virtuelle Tests und virtuelle Realität im Vorfeld der Prototypenphase eine immer größere Rolle. Das Activate-Systemsimulationsmodell kann über die fmi-Schnittstelle zusammen mit den vorhandenen Geometrien in eine Visualisierungsumgebung exportiert und dort in Echtzeit gesteuert werden, um so das Maschinenverhalten zu testen und zum Beispiel Misuse-Szenarien durchlaufen zu lassen.

Systemsimulation ermöglicht Durchgängigkeit bis zum fertigen Produkt

Auch nach der initialen Entwicklung bietet das Gesamtsystemmodell als digitaler Zwilling die Möglichkeit der weiteren Systemoptimierung, indem sich durch Messungen an der bereits im Betrieb befindlichen Maschine Realdaten für den Abgleich des Modells gewinnen lassen. Realdaten und simulierte Daten laufen zeitsynchron auf einer gemeinsamen IoT-Plattform zusammen und können dann zum Beispiel in der Datenvisualisierungslösung Altair Panopticon visualisiert werden. Anhand der realen Daten können Entwickler das Modell weiter verfeinern und so eine Aussage über anstehende Wartungsintervalle oder zukünftige Systemverbesserungen treffen. Es ist sogar möglich, zusätzliche Komponenten, die zunächst nicht modelliert werden konnten, in die Systemsimulation zu integrieren, indem auf Basis transienter Messdaten neuronale Netze trainiert werden. Ein Beispiel hierfür sind Lade- und Entladevorgänge von Batterien.

Nicht nur eine leistungsstarke Plattform, sondern auch ein großes Engineering-Know-how, wie es das Altair-Team bietet, ist für das Aufsetzen eines solchen Prozesses entscheidend.

Von Ronald Kett.

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