Software

PLM-Integration erlaubt effizienteres Simulieren

Thomas Walker, Leiter CAE Custom Tools Worldwide, Engineering Services, CD-adapco

Abbildung 2: Das Wärmemanagement im Gesamtfahrzeug umfasst unter anderem die Abgasanlage oder die Klimatisierung des Fahrgastraums.

Walter Bauer, Leiter Vehicle Thermal Management, Daimler AG

(basierend auf einem Vortrag anlässlich der CIMdata-PLM-Roadmap-Konferenz 2011)

Der Automobilhersteller Daimler und der Simulationssoftware-Spezialist CD-adapco arbeiten Hand in Hand, um die Arbeitsabläufe rund um die Simulation zu optimieren und in das Product Lifecycle Management zu integrieren. Ziel ist es, auch CAE-Laien das Durchführen von Simulationen zu erleichtern. Dieser Beitrag zeigt dies am Beispiel der thermischen Analysen an der Rohkarosserie, bei denen die Simulationssoftware STAR-CCM+ die Wärmeleitung in der Struktur berechnet und über die Strömungssimulation (CFD – Computational Fluid Dynamics) mit der Wärmeleitung per Konvektion kombiniert. Softwareseitig liefert das PLM-XML-Format die Grundlage für die Steuerung der Daten während des gesamten Prozesses.

Die Vision eines Simulationsmanagement-Systems ist in der PLM-Umgebung bei Daimler inzwischen weitgehend umgesetzt. Um CAD- und CAE-Welt besser zu integrieren, kombinieren der Automobilhersteller und CD-adapco als Lösungsanbieter kommerzielle Software mit Skripten und kundenspezifischer Programmierung. Maßgeschneiderte Zusatzmodule für die Simulation erleichtern dabei auch einem CAE- oder CFD-Laien die Arbeit, da sich über das PLM-XML-Format die Daten während des gesamten Prozesses steuern lassen. Geometrie- und Materialdaten werden in das System importiert, so dass der Anwender berechnete Temperaturverteilungen sowie Empfehlungen für die Platzierung von Thermoelementen erhält, um die Ergebnisse im Rahmen von physikalischen Tests zu verifizieren.
Solchermaßen optimierte Abläufe führen dazu, dass sich die Bearbeitungszeit reduziert – was es erlaubt, die Anzahl der Simulationen zu steigern. Dies zeigt sich beispielhaft bei den thermischen Analysen an der Rohkarosserie, bei denen die Multiphysik-Simulationssoftware STAR-CCM+ von CD-adapco sowohl die Wärmeleitung in der Struktur berechnet als auch über die Strömungssimulation (CFD) die Wärmeleitung per Konvektion berücksichtigt – die beiden Fragestellungen greifen nahtlos ineinander.

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Bislang wird der Prozess lediglich in Einzelfällen genutzt, zukünftig soll aber der Einsatz bei allen Modellen zeigen, ob abweichende Ergebnisse auftreten. Hierbei spielt die Automatisierung und individuelle Anpassung der Simulation eine wichtige Rolle. Eindeutig dokumentiert werden dazu neben den Ergebnissen auch der Lastfall, alle tatsächlich durchgeführten Schritte sowie der jeweilige Stand der untersuchten CAD-Bauteile. Die Ergebnisse werden dann den wichtigsten Akteuren zugänglich gemacht – in einer Form, die es auch den Konstrukteuren erlaubt, ihren Entwurf tatsächlich zu überprüfen und zu verbessern.

Einleitung

Diese Abhandlung stellt das vollständige System für Wärmemanagement und -schutz vor, das auf einer individuellen Anpassung der PLM-Umgebung basiert. Daimler arbeitet mit dem CAE-Datenmanagement-System caEdm. Dieses setzt auf dem PDM-System Smaragd (das auf Teamcenter basiert und an die Anforderungen von Daimler angepasst ist) auf und dient zuallererst als Datendrehscheibe für alle Simulationstypen, die Daimler einsetzt. Ein herkömmlicher Routing-Prozess automatisiert die CAE-Prozesse und bietet integrierte Sicherheitsfunktionen. Ein SWAN (Secure Wide Area Network) unterstützt die Datenübertragung zwischen externen Zulieferern und den internen Systemen bei Daimler. Vereinheitlichte Tools und Templates decken verschiedene interdisziplinäre Berechnungsarten sowie den in dieser Abhandlung besprochenen Wärmeschutz ab.

Das Produkt wird in Teamcenter beschrieben und die Daten werden über PLM XML an das Modell für die CAE-Methode übertragen, um sowohl die CAD-Geometrie zu exportieren als auch CAE-Informationen zu importieren. Entscheidend ist, dass Informationen zurück an das PLM-System geleitet werden, um die Ergebnisse und Informationen später nutzen zu können. Die exportierten Daten können ausgecheckt und dann überschrieben werden. Ausgehend von Teamcenter kann das System mittels des caEdm-Filters eine Materialliste auf der Grundlage der entsprechenden Anwendung und des betroffenen Typs, Modells und der jeweiligen Region erstellen. Ist das Fahrzeug etwa für China oder die USA gedacht, wird die Materialliste im CAE-Modell entsprechend zusammengestellt.

Abbildung 1 zeigt beispielhaft das Protokoll für die FE-Berechnung einer Komponente. Das in Teamcenter beschriebene Modell wird basierend auf Regeln vernetzt und unter Berücksichtigung der Randbedingungen werden die Lastangriffspunkte bestimmt. Dann können die Berechnungen durchgeführt und die Ergebnisse an die richtigen Ansprechpartner übermittelt werden. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die Ergebnisse des Abschlussberichts eindeutig mit den zugrundeliegenden Daten wie der Produktstruktur oder den angenommenen Lastfällen verknüpft sind.

Das Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs (Vehicle Thermal Management – VTM) birgt besondere Herausforderungen. Um die Entwicklungszyklen zu verkürzen und die Anzahl physischer Prototypen zu reduzieren, wird vermehrt simuliert, um die Entwicklung voranzutreiben. Simulationsergebnisse werden durch Optimierungsschleifen – die den Zeitaufwand reduzieren – zur Grundlage für Entwicklungsentscheidungen. Was das Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs betrifft, stellt vor allem das Ineinandergreifen aller Fahrzeugteile ein Problem dar. Die Analyse ist weder vereinfachbar noch idiotensicher. Es handelt sich um eine anspruchsvolle Analyse auf höchstem Niveau, die auf dem Wissen derjenigen beruht, die den Prozess im Hinblick auf Automatisierbarkeit gestaltet haben.

Komplexität des Wärmemanagements im Fokus

Die thermischen Eigenschaften der Materialien müssen allen Teilen zugewiesen werden. Aluminiumteile müssen als Aluminium, Kunststoffteile als Kunststoff dargestellt werden. Dann müssen die Teile importiert und numerisch verbunden werden, damit die Wärmeleitung einer Schweißnaht von einem Teil der Karosserie zu einem anderen richtig berechnet werden kann. Der Entwicklungsprozess muss hinreichend definiert sein, um die Kennzeichnung aller Teile und somit eine Darstellung des kompletten Fahrzeuges sicherzustellen, einschließlich der Saugrohre aus Kunststoff, des Turboladers und aller Komponenten unter der Motorhaube. Überdies werden nicht nur die Oberflächentemperaturen geprüft. Die Simulation erstreckt sich auch auf die Wärmeleitung innerhalb der Bauteile sowie die Wärmestrahlung. Schließlich stellt sich aufgrund der Komplexität die Herausforderung, wie den betroffenen Personen jeweils die richtigen Ergebnisse präsentiert werden, ohne diese mit Informationen zu überhäufen und ohne ihnen nur bunte Bilder zu präsentieren, die den meisten Leuten außerhalb des CFD- und CAE-Kosmos wenig sagen.

STAR-CCM+ simuliert heute sowohl Wärmeleitung als auch -strahlung und -konvektion. Die hohe Zuverlässigkeit der Ergebnisse unterstützt eine Vergleichsanalyse der Konstruktionsvarianten auf einfache Weise. Qualitativ hochwertige Ergebnisse decken nicht nur die Randbedingungen und die stationäre Analyse wie etwa beim Fahren mit einer bestimmten Geschwindigkeit oder beim Bergauffahren mit einem Anhänger ab. Die Ergebnisse sagen auch etwas darüber aus, was passiert, wenn das Fahrzeug mit Anhänger nach der Bergauffahrt abgestellt wird und der Fahrer sich entfernt. Auch solche vorübergehenden Situationen müssen untersucht werden, wozu wiederum die am besten geeigneten Positionen für die Thermoelemente am Testfahrzeug gefunden werden müssen – und diese Informationen sollen die damit befassten Mitarbeiter auch erreichen.

Abbildung 2 zeigt die nicht-triviale Analyse einer Abgasanlage nach dem Abstellen des Motors. Ein weiteres Problem ergibt sich durch den Einsatz von Elektronik: Auch die von den Chips erzeugte Wärme wird weitergeleitet, was zu untersuchen ist. Letztlich reichen die Aufgaben bis hin zum Komfort der Fahrgäste und der Frage, wie das Körpermodell auf Temperaturänderungen reagiert. Dabei ist die Temperatur in der Umgebung des Körpers nicht notwendigerweise das einzige Problem, denn bestimmte Teile des Körpers reagieren unterschiedlich – was den gefühlten Komfort beeinflusst. Solche Fragestellungen lassen sich anhand des in STAR-CCM+ eingebauten Komfortmodells beantworten.

Analyse eines Gesamtfahrzeugs in drei Phasen

Der Prozess der thermischen Analyse des Fahrzeugs besteht aus drei Phasen (siehe Abbildung 3):

Die erste beginnt mit der Herstellung eines digitalen Prototypen zur Auswertung des Gesamtkonzepts.

Die zweite Phase ist auf lokale Konzepte ausgerichtet, wobei einige Teile formalisiert und abgenommen werden.

In der dritten Phase folgt dem digitalen E-Vehicle der Test an einem realen Fahrzeug. Das B-Vehicle schließlich repräsentiert die abschließende Auswertung.

Der Prozess beginnt also mit dem digitalen Modell und geht dann zur Validierung über. Da für die Herstellung der Testfahrzeuge hohe Kosten anfallen, tragen eine Reduzierung ihrer Anzahl und der vermehrte Einsatz der Simulation zu einer beträchtlichen Kostenersparnis bei. Wichtig dabei ist, dass die physikalische Validierung nur durch eine Simulation mit extrem hoher Wiedergabetreue ersetzt werden kann. Das führt dazu, dass entweder eine hohe Zahl von Spezialisten zum Einsatz kommt oder ein von Fachleuten entwickelter Prozess eingeführt werden muss. Wie zuvor beschrieben beginnt dieser beim CAD und reicht über die Definition der Lastfälle bis hin zur nutzergerechten Aufbereitung der Ergebnisse, so dass die Konstrukteure diese auch verstehen und umsetzen können.

Die Definition eines Fahrzeugs führt zu einem Programm, das sowohl dialoggesteuert ist als auch prinzipiellen Regeln folgt. Beispielsweise soll es sich um ein Fahrzeug mit Steuer auf der rechten Seite, einem 6-Zylinder-Motor und Allrad-Antrieb handeln – weitere Abhängigkeiten ergeben sich aus diesen Basisinformationen. Dieser Prozess startet in Smaragd/Teamcenter, damit auf die jeweils aktuellsten Daten zurückgegriffen wird; die CAD-Daten stammen aus Catia. Über das PLM-XML-Format werden die Geometriedaten übertragen und die Materialien zugeordnet, daraus eine binäre Eingabedatei (Binary input file – BIF) erstellt und diese an die CAE-Welt übermittelt. Dabei kommen die Programme JTtoBIF und Improve zum Einsatz – individuelle Software-Module, die bei Daimler vor Ort von den Unternehmen TWT und Lautsch Finite Elemente programmiert wurden.

Das zeigt beispielhaft, wie sich interne Ressourcen nutzen lassen, um einen effizienten Prozess einzurichten. Tatsächlich ist diese individuelle Anpassung sehr hilfreich, da es die richtigen Ansprechpartner zur rechten Zeit am rechten Ort zusammenführt. Natürlich kann STAR-CCM+ auch Catia-Dateien direkt übernehmen und die Geometrie vernetzen. Aber zu diesem Zeitpunkt ist es für Daimler sinnvoller, die individuellen Konvertierungsmodule JTtoBIF und Improve zu verwenden, da der Prozess gut auf Smaragd abgestimmt ist. Auf diese Weise lassen sich auch damit zusammenhängende Aufgaben lösen, etwa die Transformation von Koordinatensystemen. Motorbauteile – die im dazugehörigen Koordinatensystem positioniert sind – müssen beispielsweise in das des Fahrzeugs eingefügt werden. All diese Informationen aus Catia sind im JT-Format per PLM XML verfügbar. Eine Datenbank mit den Materialeigenschaften liefert dazu Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte sowie Emissionskoeffizienten. Nachdem diese Informationen zur PLM-XML-Datei hinzugefügt wurden, werden die Daten im BIF-Format erzeugt. Der Prozess beginnt also im CAD, fügt Metadaten je nach Art der Analyse hinzu und führt zu einer Beschreibung der Oberfläche, die STAR-CCM+ lesen kann. STAR-CCM+ kann dabei sowohl BIF als auch PLM XML lesen.

Im letzten Schritt müssen dann die so übermittelten Bauteile zusammengefügt werden. Werden etwa zwei Bauteile verschweißt, können diese unmontiert unter Umständen auseinanderdriften. Nur wenn diese Teile numerisch gefügt werden, kann die Wärmeleitung richtig berechnet werden. Diese Aufgabe übernimmt ein von CD-adapco speziell dafür entwickeltes Tool mit dem Namen ‚Bulk Mesher‘, das in STAR-CCM+ dazu mit den von Daimler verwendeten LFE-Boole-Tools verbunden ist. Anschließend kann das so gewonnene CAE-Modell nun zur Analyse verwendet werden. Abbildung 4 vermittelt eine ungefähre Vorstellung dieses Modells; naturgemäß sind natürlich zusätzlich zur Rohkarosserie weitere Teile beteiligt, die nicht in der Abbildung gezeigt werden – etwa Motor, Räder und Bremsen. Mit dem ‚Verschweißen‘ werden alle Bauteile verbunden.

Die Vernetzung erfolgt dann in STAR-CCM+ mittels benutzerdefinierter Tools, so dass sichergestellt ist, dass die jeweiligen Randbedingungen berücksichtigt werden. Abbildung 5 zeigt ein Berechnungsnetz mit den polyedrischen Elementen, die wichtig für die Analyse der Temperatur sind. Die Größe der Elemente variiert, um die jeweiligen Temperaturen korrekt zu ermitteln. Die Vernetzung erfolgt ebenfalls ohne dass dazu ein Eingreifen des Benutzers erforderlich ist.

Bedürfnisse des Konstrukteurs stehen im Vordergrund

Bei der CFD-Analyse ersetzt ein System mit tabellarischer Eingabe und individueller grafischer Benutzeroberfläche das herkömmliche Front-End von STAR-CCM+. Es unterstützt alle für die Durchführung der Analyse notwendigen Funktionen und ist vollständig auf die Definition der Lastfälle und die jeweiligen Prozesse bei Daimler ausgerichtet. Lastfälle können unter Umständen hohe Geschwindigkeiten auf der Autobahn, eine Bergauffahrt mit Anhänger oder der Leerlaufbetrieb in einer heißen Umgebung sein. Hinzu kommen Heizung, Kühlung und Enteisung der Klimaanlage. Schließlich ist auch die Co-Simulation von zwei Modellen möglich – für die thermische Struktur- und die Strömungsanalyse, bei beiden handelt es sich um Modelle in STAR-CCM+. Sie sind getrennt, da das Strömungsfeld sich nicht bedeutend ändert, wenn die Analyse bei stehendem Fahrzeug durchgeführt wird. Die Fluidseite kann daher quasi-instationär berechnet werden und nur die Struktur wird instationär berechnet, um die für die Analyse benötigte Zeit zu verkürzen. Statt sechs Wochen werden so nur zwei Tage benötigt.

Bei der Aufbereitung der Ergebnisse müssen dann neben den Oberflächentemperaturen auch die Temperaturen innerhalb der Bauteile betrachtet werden – es gibt tatsächlich viel mehr zu bedenken, als auf den ersten Blick offensichtlich ist. Beispielsweise Verbindungselemente aus Gummi, etwa bei der Auspuffaufhängung, die durch Wärmestrahlung aus dem heißen Auspuff in Mitleidenschaft gezogen werden kann. Mittels eines effizienten Post-Processings wird dann auf Grundlage der XML-Dateien automatisch ein Bericht erstellt. Je nach Aufgabe des Mitarbeiters wird dann eine Excel-Datei mit den jeweils relevanten Informationen ausgegeben. Ein einfacher Klick darauf öffnet eine STAR-View+-Datei in STAR-CCM+, um weitere Informationen mit Empfehlungen auszugeben, welche Parameter die Maximaltemperatur beeinflussen. Sehr schnell erhält der Konstrukteur auf diese Weise konkrete Angaben – etwa eine Strahlungsleistung von 17 W und eine Konvektionsleistung von 69 W an der untersuchten Stelle. Auch Konstrukteure, die mit den Details der CFD-Analyse nicht vertraut sind, können so direkt auf die Ergebnisse zugreifen und sie nutzen. Noch wichtiger ist: Im Laufe der Zeit führt diese Vorgehensweise dazu, dass auf einige der Testfahrzeuge komplett verzichtet werden kann.

Aus der CFD-Perspektive erscheint der neue Prozess sinnvoll, denn für den Konstrukteur ist das eine tolle Sache. Er erhält eine Excel-Datei, über die er direkt Zugriff auf die jeweiligen Temperaturen hat – hilfreich vor allem dann, wenn nur eine einzige Stelle und nicht das ganze System überhitzt ist. So lassen sich auftretende Probleme schnell lösen.

Schlussfolgerungen

Zusammengefasst übernimmt Daimler die geometrischen Informationen aus dem CAD und überträgt sie per PML XML in die CAE-Welt – sowohl für die Struktur- als auch die CFD-Analyse der Wärmeleitung. Das benutzerdefinierte Tool erzeugt Analyse-Daten für die Simulation, die sich zu einer Gruppe zusammenfassen lassen und per Co-Simulation miteinander interagieren können. Die Betrachtung der Struktur erfolgt dabei instationär, die der Strömung quasi-instationär. Anhand dieser Ergebnisse werden für die Konstrukteure Excel-Dateien mit den relevanten Daten erstellt. All diese Informationen werden zurück in das System importiert, so dass der Konstrukteur Zugriff auf die Temperatur eines bestimmten Bauteils in einer spezifischen Variante über die Iteration des jeweiligen Modells erhält. In Zusammenarbeit mit CD-adapco sind bereits 80 bis 85 Prozent dieses Prozesses bei Daimler im System abgebildet. Das wichtigste Ziel ist dabei die Nutzung des jeweiligen Fachwissens zur richtigen Zeit. STAR-CCM+ erweist sich hier als ein flexibles System, das sich an die verschiedensten Prozesse anpassen lässt. Durch die Verwendung des PLM-XML-Formats im gesamten Prozess reduziert STAR-CCM+ die Bearbeitungszeiten und Daimler kann die Anzahl der Simulationen ganz einfach erhöhen, indem bei ausreichender Rechenkapazität mehrere Analysen gleichzeitig angestoßen werden.

CD-adapco, Nürnberg Tel. 0911/94643-3, http://www.cd-adapco.com


Hinweis:
Dieser Beitrag basiert auf einer Präsentation, die Thomas Walker im vergangenen Jahr anlässlich des PLM-Road-Map-2011-Kongresses von CIMdata hielt, mit einer Ergänzung durch Walter Bauer.

CIMdata, Weert/Niederlande Tel. +31 (0)495 533 666, http://www.cimdata.com

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