Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Interaktionskräfte vorhersagen

Um im Entwicklungsprozess für Baumaschinen verlässliche Aussagen hinsichtlich Festigkeitseigenschaften und Energieeffizienz zu treffen, ist es unerlässlich, sowohl die betrachtete Maschine selbst, als auch die Interaktion mit der Umgebung in entsprechender Qualität zu modellieren und hinreichend genaue Interaktionskräfte vorherzusagen.

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Boden- und Wechselwirkungssimulation

Simulation der Wechselwirkung von Boden- und Radladermodell
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Simulation der Wechselwirkung von Boden- und Radladermodell beim Befüllen der Schaufel.

Die hohe Einsatz- und Variantenvielfalt von Bau- und Landmaschinen stellt hohe Anforderungen an die Produktentwicklung. Insbesondere die Interaktion des Werkzeugs mit dem Boden beim Baggern oder Pflügen, aber auch die Interaktion einer Erntemaschine mit dem Erntegut o.Ä., sind kaum vorhersagbar. Bisher werden solche komplexen Wechselwirkungen meist messtechnisch erfasst und sind dadurch schwer in die virtuelle Produktentwicklung zu integrieren.

Ziel unserer Aktivitäten in diesem Bereich ist es deshalb, das Verhalten von komplexen Materialien, wie z.B. Boden oder Erntegut in die Simulation zu integrieren. Damit wird es möglich, Varianten unter sonst identischen Bedingungen zu vergleichen. Änderungen an der Konstruktion können auf ihre Wirkung hinsichtlich der Belastung der Maschine oder dem Fluss des Ernteguts in der Maschine untersucht werden.

Partikelsimulation

Methoden der klassischen Bodenmechanik, wie z.B. die Finite Elemente Methode (FEM) mit besonderen Materialmodellen für das nichtlineare Materialverhalten des Bodens, versagen in diesem Anwendungsfall. Eine besondere Herausforderung ist die Trennung des Materials beispielsweise beim Baggern. Alternative Simulationsansätze wie die Partikelsimulation können mit diesen Randbedingungen besser umgehen. Insbesondere die Diskrete Elemente Methode (DEM) hat sich für Simulationen dieser Art bewährt.

Neben dem Einsatz der DEM in Industrieprojekten wird bei uns am Fraunhofer ITWM auch an der Weiterentwicklung der Partikelmethoden gearbeitet. So haben wir unseren eigenen DEM-Code »GRAnular Physics Engine (GRAPE)« zur Modellierung und Simulation von nachgiebigem Boden entwickelt und implementiert. Insbesondere fokussieren wir uns hierbei auf die korrekte Vorhersage der Reaktionskräfte – was eine angemessene Modellparametrierung voraussetzt – und die Anwendbarkeit in Gesamtsystem-Szenarien.

Simulation der Wechselwirkung von Schutt- und Muldenkippermodell
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Simulation der Wechselwirkung von Schutt- und Muldenkippermodell beim Löschen der Ladung.

Prinzip zur Kopplung von GRAPE
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Konzept zur Kopplung von GRAPE mit Baumaschinen-Mehrkörpermodellen.

Wechselwirkungssimulation

In Zusammenarbeit mit Volvo Construction Equipment AB (Sweden) haben wir eine Co-Simulationsumgebung für den virtuellen Produktentwicklungsprozess entwickelt, die es ermöglicht die Interaktion von Baumaschinen mit Boden und Material zu simulieren und zu analysieren.

Konzeptionell wurde in der Co-Simulationsumgebung eine Kraft-Weg-Kopplung realisiert, die nicht auf eine bestimmte Baumaschine begrenzt ist, sondern einfach auf Radlader, Muldenkipper, Bagger, usw. übertragen werden kann. Innerhalb des bilateralen Projekts waren die entsprechenden Baumaschinen in MSC.Adams modelliert, jedoch lässt sich jede etablierte kommerzielle Mehrkörpersimulationssoftware in die Kopplungsumgebung integrieren.

Das Mehrkörpermodell der entsprechenden Baumaschine liefert kinematische Zustände als Eingang für GRAPE und GRAPE wiederum liefert Schnittkräfte als Eingang für das Mehrkörpermodell. Zur Realisierung des Kopplungskonzepts werden sowohl spezifische Co-Simulationsschnittstellen für die Mehrkörpersimulation und GRAPE benötigt als auch ein Co-Simulationsmaster, der den Datenaustausch und die Prädiktionsstrategien organisiert. Hierbei dient MATLAB/Simulink als Plattform der Co-Simulationsumgebung. Die Kommunikation, d.h. der Austausch der Kopplungsgrößen, mit dem GRAPE-Server basiert auf dem TCP/IP Netzwerkprotokoll, so dass GRAPE und MATLAB/Simulink zusammen mit der entsprechenden Mehrkörpersimulation auf unterschiedlichen Hauptrechnern laufen können.

Weitere Details, numerische Resultate und eine Verifikation anhand realer Messungen sind in u.s. Veröffentlichungen dargestellt.

Realisierung der Co-Simulationsumgebung
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Realisierung der Co-Simulationsumgebung zur Kopplung von GRAPE mit Baumaschinen-Mehrkörpermodellen.

Veröffentlichungen

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