Die Kenntnis der Schnittlasten an einem Bauteil ist eine grundlegende Voraussetzung, um dieses beanspruchungsgerecht dimensionieren zu können. In vielen Fällen ist die Mehrkörpersimulation (MKS), teilweise auch in Kombination mit der Methode der finiten Elemente (FEM), die einzige mit vertretbarem Aufwand anwendbare Methode, um diese zu ermitteln.

Je nach Anwendungsfall kann die Anregung des Systems z.B. durch Vorgabe bestimmter Bewegungsabläufe definiert sein oder die Anregungen werden aus Messdaten realer Fahrzeuge abgeleitet, um die unbekannten Größen zu berechnen.

Wichtig ist dabei, die wesentlichen Kraftkoppelelemente in ihren Eigenschaften ausreichend genau zu modellieren, weswegen z.B. im Nutzfahrzeugbereich der Modellierung von Luftfedern eine besondere Rolle zukommt.

Bei der Simulation größerer mechanischer Systeme, wie von Prüfständen oder kompletten Fahrzeugen, steht man vor der Problematik, nicht nur das Zusammenwirken von sehr vielen beweglichen Bauteilen, sondern auch das Verhalten von komplexen Kraftelementen oder sensorgestützten, aktiv rückkoppelnden Steuerelementen sinnvoll zu modellieren.

In der Praxis ergeben sich hierbei Grenzen aufgrund limitierter Zeit- und Hardwareressourcen und vor allem durch Parametrisierungsschwierigkeiten. Eine zentrale Herausforderung ist daher, das physikalisch "korrekte" Verhalten einzelner Komponenten kontrolliert auf das "wesentliche" Verhalten zu reduzieren, ohne dass die Voraussagekraft des Gesamtmodells darunter leidet.

Im Rahmen der weit verbreiteten Mehrkörpersystem-Modellierung (MKS-Modellierung) vernachlässigt man beispielsweise die elastische Biegefähigkeit der meisten Bauteile und ersetzt sie modellhaft durch starre, träge Massen, die über ideale Gelenke und Kraftelemente miteinander wechselwirken. Der dadurch entstandene Fehler muss gegebenenfalls durch eine geschickte Wahl von Modellparametern und nichtlinearen Kennlinien für Reibung, nachgiebige Lagerungen, Anschläge etc. kompensiert werden. Zentrale Bauteile können über die Technik der modalen MKS-FEM-Kopplung auch mit elastischen Freiheitsgraden im Gesamtmodell berücksichtigt werden.

Komplexe Kraft- oder Steuerelemente besitzen darüber hinaus meist auch ausgeprägte Anteile aus physikalischen Domänen jenseits der Mechanik (Hydraulik, Pneumatik, Elektronik,...). Spezielle Programme zur modularen bzw. eindimensionalen Systemsimulation erlauben nicht nur deren effiziente Implementierung mit hoher Flexibilität für den Detailgrad des resultierenden Teilmodells, sondern unterstützen auch das Einbinden ins mechatronische Gesamtmodell (Kosimulation).

Eine quantitative Modellierung erfordert zwingend den Abgleich mit entsprechenden direkten oder indirekten Messungen auf System- und Komponentenebene (Parametrisierung des Modells). Generell hängt daher die Voraussagekraft der Simulationsergebnisse nicht nur von den Details der Modellierung, sondern ebenso auch von der Qualität der Eingangsdaten (Messmethode, Abtastrate, Filterung,...) ab.

Projekte

• Modellbildung eines Feldhäckslers zur Lastermittlung mittels MKS
• System Level Durability - integrierte MKS und FE - Betriebsfestigkeitssimulation
• Lastdatenanalyse und Simulation im Entwicklungsprozess für Bagger
• Ermittlung von Schnittkraftzeitverläufen basierend auf Dehnungsmessungen
• Physikalische Modellierung eines Luftfedersystems

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Die Modellierung von servohydraulischen Prüfständen, auch inklusive der kompletten Regelung und Hydraulik, bildet die Grundlage für Projekte mit folgenden Zielsetzungen:

• Konzeption und Auslegung bei der Entwicklung des gesamten Prüfstandes
• Überprüfen der Tauglichkeit existierender Prüfstände für neue Testszenarien/Prüflinge
• Untersuchungen zu Auswirkungen durch Veränderung von Prüfstandsparametern
• Ermittlung der Beanspruchungen des Prüflings im Prüfstandsbetrieb
• Voriteration von Drive-Signalen zur Zeitersparnis am realen Prüfstand

Projekte

• MKS (Mehrkörpersimulation) eines Achsprüfsystems inklusive Regelung
• MKS eines Transporter-Ganzfahrzeugprüfstandes
• Simulationen zur Konzeption eines LKW-Aufliegerprüfstandes

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Die Entwicklungen im Umfeld der Echtzeitsimulation am ITWM verfolgen im Wesentlichen zwei Ziele:

• die On-Board-Berechnung beanspruchungsrelevanter, aber schwer erfassbarer Größen, aus einfach verfügbaren Messdaten
• die echtzeitfähige Umgebungssimulation (z.B. Bagger & Erdreich) zur Einbindung des Menschen als Teil des Systems

Die On-Board-Berechnung beanspruchungsrelevanter Größen steht in engem Zusammenhang mit den Bemessungsgrundlagen. Zum einen erlaubt die Kenntnis der im Betrieb aufgetretenen Beanspruchung eine Beurteilung, inwieweit ein Bauteil z.B. im Vergleich zum Freigabeszenario auf der Teststrecke, noch „Reserven“ aufweist. Zum anderen können mit einem breitem Wissen über tatsächlich aufgetretene Beanspruchungen im Feld, die Bemessungsgrundlagen (für Teststrecke, Prüfstände und Simulationen) besser an die Realität angepasst werden.

Zu diesem Zweck werden Echtzeitmodelle sowohl in einer komfortablen Prototyping-Umgebung (dSpace ds1006/MicroAutobox, Matlab/Simulink, Simpack u.a.) entwickelt, als auch direkt auf Microcontroller-Boards (z.B. Atmel AT91SAM7LA2, Infineon TriBoard TC 1796) implementiert. Als Testumgebung steht (neben den Fahrzeugen der beteiligten OEMs) am ITWM eine Entwicklungsplattform in Form eines realitätsnah ausgestatteten Modell-LKW (Maßstab 1:10, drahtloser CAN-Bus, Weg- und Beschleunigungssensoren etc.) zur Verfügung.

In vielen Fällen ist der Mensch ein regelnder Teil des zu simulierenden Systems, dessen Reaktionen direkt von aktuellen Systemverhalten abhängen. Beispiele sind das Baggern im Erdreich oder das Umladen von Material. Um den Menschen einbeziehen zu können, ist es zwingend notwendig, echtzeitfähige Modelle zur Verfügung zu stellen, die die wesentlichen Reaktionen des Systems für den Menschen realitätsnah wiedergeben. Arbeiten in diesem Umfeld beinhalten unter anderem:

• die Erstellung der echtzeitfähigen Systemmodelle,
• die Simulation des Verhaltens von Böden oder der Wechselwirkung des Systems mit anderen Materialen (z.B. Geröll) und
• den Aufbau eines VAR-Systems, um visuell und bewegungsmäßig realitätsnahe Rückwirkungen auf den Menschen wirken zu lassen.

Projekte

• Aufbau einer mechatronischen Entwicklungsplattform (Modell-LKW)
• Konzeption und Aufbau eines VAR-Systems

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Die außerordentlich hohe Nutzungsvariabilität und Einsatzvielfalt kommerziell genutzter Arbeitsmaschinen, sowohl im Bau- als auch im Landmaschinenbereich, stellen die virtuelle Produktentwicklung mechatronischer Systeme vor große Herausforderungen. Die Kenntnis realistischer Belastungsprofile einer Arbeitsmaschine in einer möglichst frühen Produktentwicklungsphase steigert einerseits die Effizienz der Gesamtauslegung und reduziert gleichzeitig das technische Risiko bei Neu- und Variantenentwicklungen.

Diese neue, am ITWM entwickelte und umgesetzte Lösung nutzt dazu einen interaktiven Fahrsimulator, der die Simulation des virtuellen Produktmodells, z.B. eines Nutzfahrzeuges, für einen menschlichen Bediener erfahrbar macht. Im Vergleich zu den im PKW-Umfeld weit verbreiteten Simulatoren mit 6-achsigen parallelkinematischen Steward-Plattformen, die meist für größere Nutzlasten ausgelegt sind, verfügt das am ITWM entwickelte System über eine bedeutend größere Bewegungsfreiheit.

Neben dem Bewegungsfeedback gemäß kybernetischer Anforderungen stehen dem Probanden eine visuelle Simulation der Szene, sowie Akustik- und Vibrationseffekte zur Verfügung. Die originalgetreue Haptik der seriennahen Simulatorkabine unterstützt die immersive Wirkung der Simulation. Die generierten Simulationsdaten und die Bedienereingriffe werden abgespeichert und für nachfolgende detaillierte und rechenintensive Simulationen genutzt.

Zukünftig werden auch die am ITWM entwickelten Boden- und Wechselwirkungssimulationen im Simulator zur Verfügung stehen, sodass ein wirklichkeitsgetreues Bodenmodell den realistischen Eindruck noch verstärken wird.

Kontakt

• 

  Dipl.-Ing. FH Oliver Hermanns

  • Telefon +49 631 31600-4362

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Zur computergestützten Simulation von dynamischen Systemen benötigt man einerseits ein mathematisches Modell des realen Systems und andererseits ein Anregungsmodell (inkl. entsprechender Anregungssignale), das die Schnittstelle des dynamischen Systems zu seiner Außenwelt geeignet beschreibt.

Im Umfeld der Fahrzeug-Simulation ist ein typisches Anregungsmodell das Reifenmodell zusammen mit  einem digitalen Straßenprofil. Genauso könnte man aber auch das Fahrzeug-Modell direkt mit gemessenen Radnabenkräften und -momenten anregen, d.h. auf Straßenprofil und Reifenmodell verzichten.

Zwischen beiden Ansätzen gibt es jedoch einen fundamentalen Unterschied: Reifenmodell und Straßenprofil zusammen definieren ein sog. invariantes Anregungsmodell, d.h. die Anregung hängt nicht vom zu simulierenden System - vom Fahrzeug-Modell - ab, sondern kann zur Simulation verschiedener Fahrzeug-Varianten (mit gleichem Reifen) verwendet werden. Gemessene Radkräfte und - momente hängen jedoch sehr stark vom entsprechenden Fahrzeugtyp des Messfahrzeugs ab; sie sind nicht invariant, sondern system-abhängig und können nur zur Anregung eines Fahrzeug-Modells des Messfahrzeugs verwendet werden.

Invariante Anregungsmodelle sind aus Kosten- und Zeitgründen sehr wünschenswert, Messfahrten mit vielen Fahrzeugvarianten sind aufwändig und kostspielig. Auf der anderen Seite ist das entsprechende invariante Anregungsmodell oft nicht verfügbar.

Hierzu wurde in den vergangenen Jahren am ITWM die sogenannte I6D-Methode entwickelt und zum Patent angemeldet.
Auf Grundlage von verhältnismäßig einfach zu messenden Radkräften und -momenten sowie Aufbaubewegungen an einem (!) Referenzfahrzeug wird durch Einführung eines 6D-Reifen-Ersatz-Modells ein 6D-Straßenprofil identifiziert. Es wird ein spezieller Subsystem-Ansatz verwendet, der auf ein mathematisches Optimalsteuerungsproblem führt, das mit entsprechenden Algorithmen effizient und ohne Iterationen gelöst werden kann. Als Anregungsmodell wird nun das Paar bestehend aus eingeführtem Reifen-Ersatz-Modell und identifiziertem Straßenprofil definiert. Dieses Paar besitzt gewisse Invarianz-Eigenschaften und kann zur Simulation anderer, d.h. vom Messfahrzeug verschiedener, Varianten verwendet werden.

Die I6D-Methode ist zwar primär entwickelt zur Berechnung invarianter Anregungsmodelle für die Fahrzeug-Simulation, sie kann aber auch auf analoge Problemstellungen zur Berechnung von invarianten Anregungsmodellen anderer dynamischer Systeme übertragen werden.

Kontakt

• Dr. Michael Burger

  • Telefon +49 631 31600-4414

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