IPS Demify® for Heavy Machinery and Vehicles

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.

IPS Demify® ist eine vielseitig einsetzbare Software mit einer ansprechenden graphischen Benutzeroberfläche und einem Python Programmierschnittstelle. Mit der Partikelsimulation wird die genaue Vorhersage von Schnittkräften auf Bau- und Landmaschinen ermöglicht. Die Modellierung basiert auf der Diskreten Elemente Methode und profitiert von der parallelisierten Rechenarchitektur auf Grafikkarten oder CPUs. Wir bieten ein validiertes Parametrierungskonzept für Bodenproben an und erproben den Einsatz hybrider Bodenmodelle zum Einsatz in Echtzeit an einem Baggersimulator.

Boden-, Gesteins-, Material- und Wechselwirkungssimulation

Die hohe Einsatz- und Variantenvielfalt von Bau- und Landmaschinen stellt hohe Anforderungen an die Produktentwicklung. Nicht nur die Interaktion des Werkzeugs mit dem Boden beim Baggern oder Pflügen, sondern 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. Die Software Demify® for Heavy Machinery and Vehicles ermöglicht die Modellierung und Simulation von Böden, Gestein und Material. sowie deren Wechselwirkung mit Werkzeugen und realisiert somit die Unterstützung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses.

© Fraunhofer ITWM
Messungen mit einer Mini-Bagger-Schaufel in Sand (links) und die Modellierung in Demify® for Heavy Machinery and Vehicles (rechts)

IPS Demify® und Demify® for Heavy Machinery and Vehicles

IPS Demify® ist eine vielseitig einsetzbare Software-Gruppe mit einer graphischen Benutzeroberfläche (GUI), die eng an die IPS Kabel-Simulation angelehnt ist. Die Demify®-Software erfüllt die neuesten Coding-Standards. Die Software ist somit unkompliziert in der Wartung und neue Funktionalitäten können schnell hinzugefügt und implementiert werden. Demify® ist auch mittels einer Python Schnittstelle (API) ansteuerbar, die eine problemspezifische Skriptbeschreibung von Simulationen ermöglicht.

Demify® erlaubt die effiziente Partikelsimulation mit Kugeln unterschiedlicher Größe, es können aber auch komplexere Geometrien in Form konvexer, abgerundeter Polyeder simuliert werden. Demify® nutzt die effiziente Berechnung mittels Nvidia GPUs, jedoch ist auch ein CPU-Löser verfügbar. Somit ist der Benutzer in der Lage einen gewöhnlichen Desktop-PC mit Graphikkarte zu nutzen, aber auch Hochleistungshardware in Form eines Clusters kann für die schnelle Berechnung mit Demify genutzt werden. Die damit realisierbare Performanz ermöglicht den Einsatz im Tagesgeschäft mit kurzen Zykluszeiten im Entwicklungsprozess.

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Visualisierung einer Baggerschaufel in Interaktion mit komplexen Geometrie-Partikeln

Partikelsimulation und Demify® for Heavy Machinery and Vehicles

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 arbeiten wir am Fraunhofer ITWM auch an der Weiterentwicklung der Partikelmethoden. Gemeinsam mit dem Fraunhofer Chalmers Centre haben wir das Joint-Venture Projekt »Demify® for Heavy Machinery and Vehicles« gegründet. Am Fraunhofer ITWM entwickelte methodische Ansätze wurden hierfür in die Software IPS Demify® integriert. Insbesondere fokussieren wir uns hierbei auf die korrekte Vorhersage der Reaktionskräfte – was eine angemessene Modellparametrierung voraussetzt – und die Anwendbarkeit in Gesamtsystem-Szenarien.

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Industrielle Anwendungsmöglichkeiten für Partikel-Simulations-Software

Wechselwirkungssimulation

In Zusammenarbeit mit Volvo Construction Equipment AB (Schweden) und dem Fraunhofer Chalmers Centre (FCC) haben wir eine CoSimulationsumgebung 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 CoSimulationsumgebung eine Kraft-Weg-Kopplung realisiert, die nicht auf eine bestimmte Baumaschine begrenzt ist, sondern einfach auf Radlader, Muldenkipper, Bagger, usw. übertragen werden kann. Die entsprechenden Baumaschinen sind mit kommerzieller Mehrkörpersimulationssoftware modelliert und können in die Kopplungsumgebung integriert werden. Die Kopplung von Demify® mit anderen Lösern, beispielsweise einem FEM-Löser, ist ebenfalls möglich.

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CoSimulations-Schema mit Demify® for Heavy Machinery and Vehicles

Echtzeitfähige Boden-Wechselwirkungssimulation

Jüngste Forschungen zu Algorithmen, die auf Methoden des Maschinellen Lernens basieren, ermöglichen eine echtzeitfähige Boden-Werkzeug Interaktion. Erklärtes Ziel ist es, die Anwendung der Bodensimulation am institutseigenen roboterbasierten Fahrsimulator RODOS® zu ermöglichen. Trainingsdaten können durch die Vorgabe repräsentativer Trajektorien des betreffenden Werkzeugs mit Demify® for Heavy Machinery and Vehicles erzeugt werden. Die Trajektorien können entweder geschickt gewählt oder interaktiv am Fahrsimulator erzeugt werden. Darauf basierend werden anschließend Kennfelder abgeleitet oder Rekurrente Neuronale Netze trainiert und bewertet. Die so erstellten Ersatzmodelle sind echtzeitfähig und ermöglichen eine Bodeninteraktion im Fahrsimulator RODOS®. Details können in der Dissertation „Efficient Numerical Simulation of Soil-Tool Interaction” nachgelesen werden.

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