gekoppelte unternehmensübergreifende simulation - FAST

Titelthema
GEKOPPELTE
UNTERNEHMENSÜBERGREIFENDE
SIMULATION
Die zunehmende Automatisierung auf allen Systemebenen sowie die Tatsache, dass Fahrzeugentwicklungen
heutzutage unternehmensübergreifend und in Entwicklungs- und Zuliefernetzwerken stattfinden, bedingen
­einen hoch effizienten Produktentstehungsprozess. Ein wichtiges Werkzeug hierfür stellt die Co-Simulation dar.
Das Ziel des am KIT durchgeführten Verbundprojekts Gusma ist es daher, die Co-Simulation für die unter­
nehmensübergreifende Simulation in der Off-Road-Branche nutzbar zu machen.
28
a u tore n
Dipl.-Ing. Andreas Rüdenauer
ist akademischer Mitarbeiter am
Lehrstuhl für Mobile Arbeits­
maschinen des Karlsruher Instituts
für Technologie (KIT).
Dipl.-Ing. Song Han
ist akademischer Mitarbeiter am
Lehrstuhl für Mobile Arbeits­
maschinen des Karlsruher Instituts
für Technologie (KIT).
Dipl.-Ing. Lars Völker
war akademischer Mitarbeiter am
Lehrstuhl für Mobile Arbeits­
maschinen des Karlsruher Instituts
für Technologie (KIT).
Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer
ist Leiter des Lehrstuhls für Mobile
Arbeitsmaschinen des Karlsruher
­I nstituts für Technologie (KIT).
VIRTUELLE PRODUKTENTWICKLUNG
Um der steigenden Komplexität bei der
Entwicklung mobiler Arbeitsmaschinen zu
begegnen, werden Simulationswerkzeuge
eingesetzt, mit deren Hilfe sich Entwicklungszeiten und -kosten reduzieren lassen.
Besonders im Bereich mechatronischer
Systeme bietet der Ansatz, virtuelle Prototypen aufzubauen, großes Potenzial. Denn
so lassen sich nicht nur in einem frühen
Stadium des Entwicklungsprozesses wertvolle Erfahrungen über das zu entwickelnde
Produkt sammeln, sondern es können mit
Sonderausgabe ATZ I April 2011
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COVER S TORY
COUPLED Cross-company
SIMULATION
The increasing automation gets more important on all system levels. Keeping this in mind and the fact, that
­vehicle development nowadays takes place in a cooperation of in-house engineering and suppliers, emphasizes
the requirement of a highly efficient product development process. An important tool for this is the co-simula­
tion. In order to make the co-simulation available as a modeling variant between different business partners in
the off-highway industry, the joint project Gusma was initiated at the KIT.
VIRTUAL PRODUCT DEVELOPMENT
In order to deal with the increasing complexity for developing mobile machines,
the application of simulation tools has
turned out to be a key factor in reducing
development time and costs. Especially in
the field of mechatronic systems, the approach of using virtual prototypes seems
to be promising. This way, not only valuable information about a future product
can be gained at an early point of the development process, but potential risks can
also be identified and according measures
can be initiated.
In order to create such a virtual prototype, a 3D-model often derived from a
CAD file gets complemented by its functional properties. An important difference
can be seen in the procedure of the way
of modeling. Generally, it can be differentiated between the number of modeling
tools and the number of integrators in a
simulation. ❶ gives an overview on this.
For further information, please also see
[1, 2]
For the modeling process, companies
often utilize simulation programs which
are specialized in one domain. These programs are used to model subsystems or
components. In order to simulate a complete system, two different possibilities for
modeling have been established. For the
first one, specialized programs have been
enhanced to so-called multi-domain-pro-
30
grams by providing program libraries of
different domains to the user. This corresponds to modelling variant III in ①. In
this case, the advantage of the specialization for a domain is partly lost. The second possibility is to use a specialized program for every domain and couple them
via a so called co-simulation, see also
­variant II in ①. For this purpose, the corresponding submodels have to be exported out of their simulation environment
and afterwards linked together to a complete system on a shared platform. The
submodels then communicate with each
other via an interface and send the results
centrally to one software environment.
Many programs already provide such interfaces. The interdisciplinary coupled
simulation in the area of mobile machines
however has not achieved complete acceptance so far.
STANDARDIZED PROCEDURE
cerning their input and output values. This
implies the number of variables as well as
their transfer in a standardized format. As
an example, the physical unit of the param­­
eters or the factor to the corresponding SI
unit shall be mentioned. This plays an important role especially for the model exchange between different business partners.
At this point, the protection of in-house
know-how shall be mentioned.
During the simulation process, a temporal coordination between the coupled software programs is required. The communication effort as well as the often used
a u t H or S
Dipl.-Ing. Andreas Rüdenauer
is Research Assistant at the Chair of
Mobile Machines of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT) (Germany).
Dipl.-Ing. Song Han
For using a coupled simulation as modeling
variant, certain challenges have to be taken. A basic prerequisite for a co-simulation
is the compatibility of the submodels. Already by choosing the simulation environment, it has to be ensured, that every submodel in a co-simulation is able to communicate with each other or at least with the
simulation environment which is designated as the master program. Additionally, all
the submodels have to be coordinated con-
is Research Assistant at the Chair of
Mobile Machines of the Karlsruhe In­
­stitute of Technology (KIT) (Germany).
Dipl.-Ing. Lars Völker
was Research Assistant at the Chair
of Mobile Machines of the Karlsruhe
Institute of Technology (KIT) (Germany).
Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer
is Director of the Chair of Mobile
­M achines of the Karlsruhe Institute
of Technology (KIT) (Germany).
Special Edition ATZ I April 2011
deren Hilfe bereits potenzielle Risiken
erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Zur Erzeugung eines solchen virtuellen
Prototyps wird ein zumeist vom CAD abgeleitetes 3D-Modell um seine funktionalen
Eigenschaften erweitert. Ein wesentlicher
Unterschied in der Vorgehensweise liegt
hierbei in der Art der Modellbildung. Diese
kann generell nach Anzahl der Modellierungswerkzeuge und Anzahl der Integratoren differenziert werden. ❶ gibt hierzu
einen Überblick. Für weiterführende Information sei auf [1, 2] verwiesen.
Für die Modellbildung werden heutzutage in den Unternehmen oft auf ein Fachgebiet spezialisierte Simulationsprogramme
eingesetzt. In diesen Programmen werden
Teilsysteme und Komponenten simuliert.
Für die Simulation eines Gesamtsystems
haben sich zwei Vorgehensweisen bei der
Modellierung durchgesetzt. So werden die
spezialisierten Programme einerseits teilweise zu sogenannten Multi-DomänenProgrammen weiterentwickelt, indem
­beispielsweise dem Anwender Programmbibliotheken aus verschiedenen Fachgebieten zur Verfügung gestellt werden. Dies
entspricht Modellbildungsvariante III in
①. Dabei geht jedoch der Vorteil der Spezialisierung auf ein Fachgebiet ein Stück
weit verloren. Die zweite Möglichkeit ist,
für jede Disziplin ein spezialisiertes Programm zu verwenden und durch eine
sogenannte Co-Simulation zu verbinden,
Variante II in ①. Hierbei werden die Teilmodelle aus ihren jeweiligen Simulationsumgebungen exportiert und auf einer ge­­
meinsamen Plattform zu einem Gesamtmodell gekoppelt. Die Co-Simulation
er­­folgt in einer Master-Slave-Beziehung
mit der Plattform als Master und den
beteiligten Simulationsprogrammen als
Slaves. Die Teilmodelle kommunizieren
über entsprechende Schnittstellen mit der
Plattform und liefern festgelegte Austauschgrößen zentral an den Master. Zahlreiche
Programme bieten bereits derartige Schnittstellen an, jedoch konnte sich die fachgebietsübergreifende gekoppelte Simulation
im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen
bisher nur eingeschränkt durchsetzen.
Number of
modeling tools
Closed
simulation
I.
>1
II.
Combination of equations
of separately modelled
subsystems
Co-simulation
Distributed
modeling
„Classic“
simulation
Separation of model
for simulation
Closed
modeling
=1
>1
III.
=1
IV.
❶Modellbildungsvarianten
(in Anlehnung an [1])
Modeling variants
(on the basis of [1])
voraussetzung für die Co-Simulation ist die
Kompatibilität der Teilmodelle. Bereits mit
der Wahl der Simulationsumgebung muss
sichergestellt sein, dass sich alle Teilmodelle in der Co-Simulation untereinander
STANDARDISIERTE VORGEHENSWEISE
Die Anwendung einer gekoppelten Simu­
lation als Modellbildungsvariante birgt
durchaus Herausforderungen. Eine Grund­
Sonderausgabe ATZ I April 2011
Distributed
simulation
Number of
integrators
oder zumindest mit der als Master identifizierten Umgebung verständigen können.
Des Weiteren müssen die Teil­modelle in
den zu übergebenden Ein- und Ausgangsgrößen aufeinander abgestimmt sein. Dies
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31
COVER S TORY
fixed-step communication interval lead
as a consequence mostly to a longer com­
puting time in comparison with multi-­
domain-systems.
There are certainly challenges to be taken while using a co-simulation, but considering the advantages and the promising
potential, they are absolutely worth the effort. One of these advantages is the possibility to use specialized simulation programs for modeling in each domain. This
way, the user is also able to continue
work­­ing in its familiar simulation environment. The specialization of programs also
allows designing models in a high level of
detail. The coupled simulation also provides the possibility of working together
beyond department or even company
boundaries. As a complete system consists
of different submodels, division of labor
can be easily realized. This way, a co-simulation contributes to the optimization of
the development process in terms of the
­Simultaneous Engineering method, as well
as the approach of Collaborative Engineering. Keeping in mind that co-simulation
has not yet been established as a common
method on the mobile machine market,
the need should be fulfilled to make this
modeling variant accessible for the above
mentioned industry.
IDEAS AND OBJECTIVES
The project Gusma (Coupled Simulation
of Mobile Machines between different
business partners) shall provide a standardized procedure for using a coupled
simulation. This way, its application shall
be simplified and a broad distribution
shall be achieved, such as on the mobile
machines market. A central element of
the project is the idea of a platform on
which a coupled simulation can be executed. The system, which is to be simulated, shall be divided up into subsystems of
different domains and different manufacturers/suppliers respectively. Every submodel shall be created in its own domainspecific simulation program. Afterwards,
it shall be exported in a platform-compatible format. By exporting the submodel
and its involved conversion, the protection of know-how is realized. Ideally, apart
from the protected submodels, also the
right solver shall be exported on the platform, so that every submodul can be independently executed.
32
The platform shall provide the possi­
bility for each user, to build up a complete
model via a graphical user interface by
linking the respective submodels. Additionally, an administration of parameters
as well as a determination of initial values
for the simulation shall be enabled. Finally, the feature of saving data shall round
up the requirement specification of a platform. In this way, the platform shall allow
an intuitive and efficient application of a
coupled simulation.
From the industry’s point of view, the
application of a coupled simulation using
a standardized procedure shall facilitate
the design of a virtual prototype for a vehicle manufacturer. A company shall be
able to utilize validated submodels of suppliers and in this way, it benefits from the
supplier’s expert knowledge without disclosing its know-how. Thus, a great part
of the engineering process can be completed in simulation.
On the other side, the supplier en­
hances its competitive position by pro­
viding hardware and simulation models.
Furthermore, it is able to validate its own
components by using a virtual prototype
and so, reduce development time and
costs. The open concept of the platform
enables a vehicle manufacturer to use the
supplier’s submodel independently of the
simulation environment and vice versa.
The application of simulation methods in
the engineering process shall thus be exploited in an effective way especially for
small and medium-sized businesses.
VALIDATING OBJECT
The standardized procedure for the coupled simulation is validated at the example of a hydro-pneumatic front axle suspension of a tractor. The validation will be
performed not only with the virtual model
upon the developed platform but also
with practical tests on a test bench. The
results will then be evaluated and represent the basis for a guideline for the level
of detail of a model.
The hydro-pneumatic front axle suspension consists of mechanical, hydraulic and
control elements, ❷. The frame (1) has a
link to a swing arm (2), which allows suspension functionality. The front axle (3) is
located in the center of the swing arm and
is able to oscillate. Two hydraulic cylinders (4) and two hydraulic accumulators
(5) complete the front axle suspension. If
the tire is moved up- or downwards, the
plungers of the hydraulic cylinders displace oil to the accumulators. The nitrogen reservoir of the accumulator acts like
a spring and the hoses and orifices act
like a damper.
Concerning the simulation, the hydropneumatic front axle suspension is divided up into submodels according to the actual division of labor between supplier
and manufacturer. Consequently, there is
one model for the control system, one for
the mechanical system and two for the
hydraulic system. There are two hydraulic
models, as the hydraulic pressure supply
and the hydro-pneumatic suspension
come from different suppliers.
The simulation of the complete system
is performed by the Chair of Mobile Machines, which imitates the vehicle manufacturer in this project. The software tool
for the platform is Matlab/Simulink. It was
chosen on the one hand as it is widely
spreaded in this industry and on the other
hand it comes with a graphical user interface with visualization tools and possibilities of data handling. In this way, an easy
application of the Gusma platform is ensured. Also, it represents an opportunity
especially for small and medium-sized
companies to use co-simulation in the
product development process beyond corporate borders.
The sub models are imported as blocks
on the platform and linked with each other according to the state values. ❸ shows
the entire model of the hydro-pneumatic
front axle suspension. It was built by using the previously available methods. The
four major blocks in ③ correspond to the
mechanical (1) and hydraulic (2) part of
the suspension, the hydraulic supply (3)
and the controls for the level controlling
(4). Additionally, visualization elements,
conversion terms and switches are implemented for user interaction.
PLATFORM
Concerning the standardized procedure of
the coupled simulation, a graphical user
interface (GUI) was designed to guide the
user step by step through the coupled
simulation. ❹ shows the graphical user
interface. In the first modeling step, all
submodels shall be drawn on the platform. The parameters of the submodels
Special Edition ATZ I April 2011
❷Prinzipdarstellung der Vorderachsfederung [3]
(1: Rahmenkonstruktion, 2: Federschwinge, 3: Pendelachse, 4: Hydraulikzylinder, 5: Hydrospeicher)
Principle of a front-axle suspension [3]
(1: frame, 2: swing arm, 3: front axle, 4: hydraulic cylinder, 5: hydraulic accumulator)
impliziert sowohl die Anzahl der Variablen
als auch deren Übergabe in einem einheitlichen Format. Als Beispiel hierfür wäre
die Einheit der Variablen oder der Faktor
einer Einheit zur entsprechenden SI-Einheit
zu nennen. Insbesondere beim Modellaustausch über Unternehmensgrenzen
hinweg spielt dies eine wichtige Rolle.
An dieser Stelle sei auch der Know-howSchutz der Teilmodelle erwähnt.
Während des Simulationsprozesses selbst
bedarf es insbesondere einer zeitlichen
Koordination der beteiligten Softwareprogramme. Der Kommunikationsaufwand
sowie die in vielen Fällen zu verwendende
feste Schrittweite bedingt als Konsequenz
meist höhere Rechenzeiten als dies bei
Multi-Domain-Umgebungen der Fall ist.
Obwohl gewisse Herausforderungen
beim Durchführen einer Co-Simulation
bestehen, überwiegen deren Nutzen und
das darin liegende Potenzial. Abgesehen
davon, dass für jedes Fachgebiet ein hierfür spezialisiertes Simulationsprogramm
eingesetzt werden kann, ist es dem An­­
wender weiterhin möglich, in seiner ge­­
wohnten Simulationsumgebung zu
arbeiten. Die Spezialisierung der Programme gestattet es zudem, Modelle mit
hohem Detaillierungsgrad aufzubauen. Der
Aufbau eines Gesamtsystems aus verschiedenen Teilmodellen bietet eine sehr gute
Grundlage für die Arbeitsteilung über
Abteilungs- oder gar Unternehmensgrenzen hinweg. Auf diese Weise trägt die CoSimulation im Sinne des Simultaneous
Engineering wie auch des Collaborative
Engineerings ihren Teil zur Optimierung
von Entwicklungsprozessen bei. Vor dem
Hintergrund, dass sich die Co-Simulation
bisher im Bereich mobiler Arbeitsmaschinen noch nicht durchgesetzt hat, liegt bei
dem erwähnten Potenzial die Forderung
nahe, diese Modellbildungsvariante für die
genannte Branche nutzbar zu machen.
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COVER S TORY
are imported automatically in the background. The parameters are distinguished
between three groups – protected, modifiable and joint parameters. Protected parameters are only accessible for the actual
creator of a submodel and they are not
visible on the platform. Therefrom, knowhow of a company can be protected.
­Modifiable parameters can be viewed and
changed on the platform (such as bezel
size). Thereby optimization of the entire
system is enabled. Joint parameters are
the parameters which are used by different submodels (such as cylinder length)
and should be set and modified unitarily.
In the second step, the submodels shall
be connected with each other according
to their inputs and outputs. Items from
the Simulink library, such as visualization
or storage options, can be added as well.
In the third step, the user shall enter a
filename. The data which are generated
during building up the complete model
will be saved under that filename. Here,
the user is also able to load a data set,
which was saved earlier. In the forth step,
the user is able to manage the parameters,
which are visible for him, by identifying
and setting the joint parameters. This applies equally to the initialization variables.
These determine the start values of state
variables, such as an initial pressure or
position. The last two steps are designed
to support the simulation process itself. In
the fifth step, the possibility is given to
change the value of modifiable or joint
parameters. The sixth step allows to set
the communication interval for the cosimulation. This interval defines the temporal step size, when submodels ex-
34
change data among each other. After completing the above mentioned steps the
simulation can be executed.
SUMMARY AND OUTLOOK
The application of virtual prototypes offers
great potential for time and cost reduction
in the product development pro­cess. Especially in the industry of mobile machines,
the approach of the coupled simulation for
the representation and validation of complete systems is very promising. In order to
make the co-simulation available as a modeling variant between different business
partners in the mentioned industry, the
joint project Gusma was initiated. The
project started on 01. August 2008 and it
will end on 31. July 2011. In the project, a
simulation platform will be developed
which standardizes the procedure of a cosimulation and ensures an intuitive handling. In this way, the platform shall facilitate the application of a co-simulation and
support the engineering process between
different business partners. An example of
a hydro-pneumatic front axle suspension of
a tractor will be used for the validation of
the platform. This will be executed not only with the virtual model upon the developed platform but also with practical tests
on a test bench.
Until now, the approach for a standardized coupled simulation was elaborated.
The design of the submodels is completed, as well as the build-up of the complete
simulation model and the implementation
of the cross-company coupled simulation.
The comparison of the results between
simulation and test bench is still in progress.
For the further procedure, the models
have to be revised, so that the coupled
simulation can be performed according to
the developed concept. For this purpose,
adaptation of the interfaces of the software
programs is required. The data storage for
the post-process has also to be implemented. An analysis of the communication interval and derived recommendation for adjustment complete the project results.
REFERENCE
[1] Geimer, M.; Krüger, T.; Linsel, P.: Co-Simu­
lation, gekoppelte Simulation oder Simulationskopplung? Ein Versuch der Begriffsvereinheit­lichung.
O+P 50 (2006) Nr. 11-12, S. 572-576
[2] Dronka, S.: Die Simulation gekoppelter Mehr­
körper- und Hydraulik-Modelle mit Erweiterung für
Echtzeitsimulation. Shaker-Verlag, Dissertation TU
Dresden, Aachen 2004
[3] Fendt 700 Vario – Das wichtigste über eine
neue Generation Traktoren. Infobroschüre, 2005
THANKS
The authors would like to thank Federal
­Ministry of Education and Research (BMBF)
as well as the Project Management Agency
Karlsruhe (PTKA) for cooperation and financial support of the project Gusma. Special
thanks are also valid for the companies Agco
GmbH/Fendt, Hydac System GmbH and the
software companies Fluidon GmbH, LMS
Deutschland GmbH and Simpack AG, who
are involved in the project.
Special Edition ATZ I April 2011
Heinzmann GmbH & Co. KG
Am Haselbach 1
D-79677 Schönau
Germany
Phone: +49 (0)7673 8208 - 0
Fax: +49 (0)7673 8208 - 188
Email: [email protected]
IDEEN UND ZIELE
Im Projekt Gusma (Gekoppelte unternehmensübergreifende Simulation mobiler
Arbeitsmaschinen) wurde eine standardisierte Vorgehensweise für die gekoppelte
Simulation erarbeitet, um deren Anwendung zu vereinfachen und somit eine
breitere Nutzung zum Beispiel auf dem
Gebiet der mobilen Arbeitsmaschinen zu
ermöglichen. Zentrales Element des Projekts ist eine Plattform, auf der die gekoppelte Simulation durchgeführt werden soll.
Das zu simulierende System soll dabei in
Teilmodelle unterschiedlicher Fachdiszi­
plinen beziehungsweise in Teilmodelle
unterschiedlicher Hersteller/Zulieferer
aufgeteilt werden. Die einzelnen Teilmodelle werden in fachgebietsspezifischen
Simulationsprogrammen erzeugt und in
einem zur Plattform kompatiblen Format
exportiert. Durch den Export auf die Plattform und die damit verbundene Umwandlung des Teilmodells wird der Know-howSchutz realisiert. Idealerweise wird neben
dem geschützten Teilmodell auch der passende Solver mit exportiert, sodass jedes
Teilmodell autark lauffähig ist.
Auf der Plattform soll der jeweilige An­­
wender die Möglichkeit haben, über einegrafische Benutzeroberfläche durch Ver­
netzung der einzelnen Teilemodelle das
Ge­­samtmodell aufzubauen. Zusätzlich sollen eine Parameterverwaltung sowie eine
Be­­stimmung der Startwerte für die Simulation möglich sein. Eine Möglichkeit der
Datenspeicherung schließt die Anforderungsliste an eine Plattform ab. Auf diese
Weise soll die Plattform eine intuitive und
effiziente Durchführung einer gekoppelten
Simulation ermöglichen.
Aus Sicht der Industrie soll der Einsatz
der gekoppelten Simulation anhand der
standardisierten Vorgehensweise dem Fahrzeughersteller den Aufbau eines virtuellen
Prototyps erleichtern. Hierbei kann er
validierte Teilmodelle der Zulieferer einsetzen und somit auf deren Expertenwissen zurückgreifen, ohne dass deren Knowhow abfließt. Dadurch kann er ein Teil
seiner Entwicklungs- und Testarbeit in der
Simulation erledigen.
Die Zulieferer wiederum stärken durch
die Lieferung von Hardware und Simulationsmodell ihre Wettbewerbsposition gegenüber anderen Marktbegleitern. Darüber
hinaus sind sie selbst in der Lage, ihre
Komponenten am virtuellen Prototyp zu
Electric machine (motor and generator mode)
for different internal combustion engines
HYPERION
Hybrid Drives for Mobile Machinery
Í Reduced fuel
consumption
Í Reduced
emissions
Í Reduced
engine noise
Í Reduced
effort for exhaust
gas after-treatment
Í Increased
productivity
. . . f o r a c l e a n e r e n vironment
Sonderausgabe ATZ I April 2011
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Titelthema
testen und sparen ihrerseits Entwicklungszeit und -kosten. Das offene Konzept der
Plattform soll des Weiteren ermöglichen,
dass ein Fahrzeughersteller unabhängig
von der Simulationsumgebung des Zu­­
lieferers das eingebrachte Teilmodell nutzen
kann und umgekehrt. Auf diese Weise soll
letztlich auch die Anwendung von Simulationsmethoden im Entwicklungsprozess für
kleine mittelständische Unternehmen in
effektiver Weise nutzbar gemacht werden.
VALIDIERUNGSOBJEKT
Die standardisierte Vorgehensweise für die
gekoppelte Simulation wird am Beispiel
einer hydropneumatischen Vorderachs­
federung eines Traktors mit Niveauregelung validiert. Dies findet sowohl virtuell
auf der entwickelten Plattform als auch
durch praktische Versuche am Prüfstand
statt. Die Ergebnisse werden anschließend
ausgewertet und stellen die Grundlage für
eine zu erarbeitende Richtlinie über den
Modelldetaillierungsgrad dar.
Die hydropneumatische Vorderachsfederung besteht aus mechanischen, hyd­­
raulischen und Regelungs-Elementen, ❷.
An einer Rahmenkonstruktion (1) ist die
Federschwinge (2) angekoppelt, die eine
Federung der Vorderachse ermöglicht. Die
Pendelachse (3) lässt eine Pendelbewegung der Vorderachse zu. Die Federwir-
kung der Vorderräder wird durch zwei
Hydraulikzylinder (4) ermöglicht. Diese
sind jeweils an zwei Hydrospeicher (5)
angeschlossen, sodass zwischen Zylinder
und Hydrospeicher ein Ölaustausch stattfinden kann. Die Federwirkung wird
erzielt, indem der Federungszylinder Öl in
den Hydrospeicher verdrängt und dadurch
das Gasvolumen komprimiert (Gasfeder).
Die Dämpfung der Federung ergibt sich
beim Fließen des Öls durch die Rohrleitung beziehungsweise beim Fließen über
eingebaute Blenden.
Für die Simulation wird die hydropneumatische Vorderachsfederung entsprechend
der realen Aufteilung von Zulieferer und
Fahrzeughersteller und somit auch anhand
der beteiligten Ingenieursfachdisziplinen
in Teilmodelle zerlegt. Es existieren ein
Steuerungs-, ein Mechanik- und zwei Hyd­­
raulikmodelle. Zwei Hydraulikmodelle
entstehen, da die hydraulische Druck­
versorgung und die hydropneumatische
Federung von unterschiedlichen Zuliefe­
rern stammen.
Die Simulation des Gesamtsystems erfolgt
durch den Lehrstuhl, der in diesem Fall die
Rolle des Fahrzeugherstellers übernimmt.
Als Plattform wird Matlab/Simulink ge­­
wählt. Die weite Verbreitung dieses Softwarepakets in der Industrie und die Tat­
sache, dass zahlreiche kommerzielle Si­­
mulationsprogramme einen Modellexport
nach Matlab/Simulink ermöglichen, trugen
zu deren Auswahl als Basis für die Plattform bei. Dies garantiert die einfache An­­
wendbarkeit der Gusma-Plattform und soll
eine Gelegenheit besonders für kleine und
mittlere Unternehmen darstellen, die CoSimulation unternehmensübergreifend im
Entwicklungsprozess einsetzen zu können.
Die Teilmodelle werden als Blöcke auf
die Plattform importiert und über ihre je­­
weiligen Zustandsgrößen miteinander verknüpft. ❸ zeigt das Gesamtsimulationsmodell der hydropneumatischen Vorderachsfederung. Es wurde mit Hilfe der bisher
zur Verfügung stehenden Möglichkeiten
aufgebaut. Die vier großen Funktionsblöcke in ③ entsprechen dem mechanischen
(1) und hydraulischen (2) Teil der Federung,
der hydraulischen Versorgung (3) sowie
dem Regler für die Niveauregelung (4).
Zusätzlich sind noch Visualisierungselemente, Umrechnungsglieder und Schalter
für die Benutzerinteraktion zu sehen.
PLATTFORM
Für die standardisierte Vorgehensweise bei
der gekoppelten Simulation wurde eine
grafische Benutzeroberfläche (graphical
user interface, GUI) entworfen, anhand
derer der Anwender Schritt für Schritt
durch die gekoppelte Simulation geleitet
werden soll. ❹ zeigt diese grafische
❸Gesamtsimulationsmodell der Traktorvorderachsfederung
Complete model of the tractor front axle suspension
36
Sonderausgabe ATZ I April 2011
Kompetenz in Filtration
Original Equipment
Hengst ist im Bereich Fluidmanagement und
Filtration ein international anerkannter
Entwicklungspartner und Serienlieferant aller
bedeutenden Fahrzeug- und Motorenhersteller.
• Fördern
• Filtern
• Kühlen
• Sensieren
• Steuern
Blue Engine Care System
Die Funktionen des Fluidmanagements sind auch modular als Stand-alone Lösung
für Motoren in der Erst- und Nachrüstung lieferbar.
Blue.jet
Ölpflege-System
Blue.maxx
Kraftstoffpflege-System
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Kühlmittelpflege-System
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Blue.tron
Ölnebelabscheide-System
Titelthema
❹Grafische Benutzeroberfläche für die
­ enutzerführung
B
Graphical user interface for user guidance
gabegrößen grafisch miteinander verbunden. Elemente aus der Simulink-Bibliothek,
wie beispielsweise Visualisierungs- oder
Speichermöglichkeiten, können ergänzt
werden. Im dritten Schritt soll der Nutzer
bei einem neuen Modell einen Dateinamen
für die während der Modellerstellung er­­
zeugten Parameterdateien eingeben. Alternativ können gespeicherte beziehungsweise unterschiedliche Parametersätze
aufgerufen werden. Im vierten Schritt erhält
der Anwender die Möglichkeit, die für ihn
sichtbaren Parameter zu verwalten, indem
er die gemeinsamen Parameter identifizieren und diesen einen gemeinsamen neuen
Parameter zuweisen kann. Dies gilt gleichermaßen für die Initialisierungsvariablen.
Mit diesen werden die Startwerte von Zu­­
standsgrößen festgelegt, also beispielsweise
ein Startdruck oder eine Startposition. Die
beiden letzten Schritte dienen der Unterstützung des Simulationsprozesses an sich.
Im Schritt fünf besteht die Möglichkeit,
Werte für änderbare und gemeinsame
Parameter sowie Initialisierungsvariablen
festzulegen oder zu ändern. Der sechste
Schritt dient dem Festlegen des Kommunikationsintervalls für die Simulation. Dieses
bestimmt die Zeitpunkte, wann die einzelnen Teilmodelle miteinander kommunizieren und Daten austauschen. Nach der Ab­­­
arbeitung der beschriebenen Schritte kann
die Simulation durchgeführt werden.
Engineering-Prozess unternehmensübergreifend unterstützt werden. Die Validierung der Software-Plattform wird am Beispiel einer hyd­­ropneu­matischen Vorderachsfederung eines Traktors mit
Niveauregelung vorgenommen. Dies findet
sowohl virtuell auf der entwickelten Plattform als auch durch praktische Versuche
am Prüfstand statt.
Im bisherigen Projektverlauf wurde ein
Ansatz für eine standardisierte gekoppelte
Simulation erarbeitet. Der Aufbau der
­einzelnen Teilmodelle ist abgeschlossen,
ebenso die Erstellung des Gesamtsimulationsmodells und die Durchführung der
unternehmensübergreifenden gekoppelten
Simulation. Der Abgleich der Simulationsmodelle mit Prüfstandsergebnissen ist
derzeit im Gange.
Als nächste Schritte müssen die Modelle
so überarbeitet werden, dass eine gekoppelte Simulation anhand des erarbeiteten
Konzeptes durchgeführt werden kann.
Hierzu müssen Anpassungsarbeiten an
den Programmschnittstellen der einzelnen
Softwareumgebungen durchgeführt werden.
Auch die Datenspeicherung für den postprocess muss noch erarbeitet werden. Die
Arbeiten werden durch Untersuchungen
des Kommunikationsintervalls und daraus
abgeleiteten Größeneinstellungsempfehlungen vervollständigt.
LITERATURHINWEISE
Benutzeroberfläche. Im ersten Modellierungsschritt werden alle Teilmodelle auf
die Plattform gezogen. Im Hintergrund
werden automatisch die Parameter der
Teilmodelle eingelesen. Dabei wird zwischen drei Parametergruppen unterschieden – geschützte, änderbare und gemeinsame Parameter. Geschützte Parameter
sind nur für den Ersteller eines Teilmodells
zugänglich und auf der Plattform nicht
sichtbar. Mit ihrer Hilfe soll das Knowhow geschützt werden. Änderbare Parameter können auf der Plattform eingesehen und geändert werden (zum Beispiel
Blendengröße). Dadurch sollen Optimierungsrechnungen ermöglicht werden. Die
gemeinsamen Parameter sind Parameter,
die in verschiedenen Teilmodellen verwendet (beispielsweise Zylinderlänge)
und daher im Gesamtsimulationsmodell
einheitlich gesetzt werden sollen. Im
zweiten Schritt werden die einzelnen Teilmodelle entsprechend ihrer Ein- und Aus-
38
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Die Anwendung von virtuellen Prototypen
birgt großes Potenzial zur Zeit- und Kos­­
tenreduktion im Produktentwicklungsprozess. Insbesondere im Bereich der mobilen
Arbeitsmaschinen ist der Ansatz, eine
gekoppelte Simulation zur Darstellung und
Validierung von Gesamtsystemen anzuwenden, vielversprechend. Vor dem Hintergrund, die Co-Simulation für den
Zweck der unternehmensübergreifenden
Simulation in dieser Branche nutzbar zu
machen, wurde das Verbundprojekt Gusma
ins Leben gerufen. Das Projekt begann am
01. Au­­gust 2008 und endet am 31. Juli
2011. Im Rahmen des Projekts wird eine
Simulationsplattform entwickelt, welche
die Vorgehensweise bei der Durchführung
einer Co-Simulation standardisiert und
eine in­­tuitive Handhabung derselben
gewährleistet. Auf diese Weise soll dem
Ingenieur die Anwendung einer gekoppelten Simulation vereinfacht und der
[1] Geimer, M.; Krüger, T.; Linsel, P.: Co-Simu­
lation, gekoppelte Simulation oder Simulationskopplung? Ein Versuch der Begriffsvereinheit­
lichung. O+P 50 (2006) Nr. 11-12, S. 572-576
[2] Dronka, S.: Die Simulation gekoppelter Mehrkörper- und Hydraulik-Modelle mit Erweiterung für
Echtzeitsimulation. Shaker-Verlag, Dissertation TU
Dresden, Aachen 2004
[3] Fendt 700 Vario – Das wichtigste über eine
neue Generation Traktoren. Infobroschüre, 2005
Danke
Die Autoren danken dem Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF) sowie
dem Projektträger Karlsruhe (PTKA) für die
Zusammenarbeit und finanzielle Förderung
des Projekts Gusma. Besonderer Dank gilt
auch den am Projekt beteiligten Firmen Agco
GmbH/Fendt, Hydac System GmbH sowie
den Software-Unternehmen Fluidon GmbH,
LMS Deutschland GmbH und Simpack AG.
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