berücksichtigung von geometrie für multidisziplinäre ... · berücksichtigung von geometrie für...

13. Int. Schienenfahrzeugtagung Dresden, 26.-28.02.2014

© Siemens AG Österreich 2014 Alle Rechte vorbehalten.

Seite 1 Michael Alb, Michael Gödl, Heinz-Peter Kotz, Werner Pohl

Berücksichtigung von Geometrie für

multidisziplinäre Optimierungen in der virtuellen

Fahrwerksentwicklung

M. Alb1, M. Gödl2, H.P. Kotz2, Ch. Magele3 , W. Pohl4 , A. Reinbacher-Köstinger3

1 Virtual Vehicle Research Center und Università di Padova

2 Siemens AG Österreich 3 Technische Universität Graz

4 Contact Software GmbH




Inhalt

► Kurze Vorstellung der Projektpartner

► Optimierung in der virtuellen Fahrwerksentwicklung

► Optimierung geometrischer Strukturen

► Parametrierung komplexer geometrischer Strukturen

► Optimierung komplexer geometrischer Strukturen

► Ausblick




Vorstellung der Projektpartner

Virtuelles Fahrzeug

• Unabhängige Forschungsplattform

• Angewandte Forschung und Wissenschaftlicher Service

• Getrieben von den Anforderungen führender Firmen

• Umfassendes Forschungsnetzwerk

• 200 Angestellte

Siemens AG Österreich

• Weltweiter größtes F&E- und Produktionszentrum für

Drehgestelle im Bereich Metros, Straßen- bahnen,

Hochgeschwindigkeitszüge und Lokomotiven

• Kapazität von rund 3.000 Drehgestellen / Jahr

• 1.400 Angestellte weltweit, 930 davon in Graz

• 200 hoch qualifizierte Ingenieure




Vorstellung der Projektpartner

Contact Software

• PDM Anbieter, Firmensitz Bremen seit 1990

• 160 Angestellte

• Fokus: kollaborative Produktentwicklung

• Referenzen: internationale OEM- & Zulieferer-

Marktsegmente, Organisationen des Engineering

• 50.000 Benutzer weltweit

Produkte

Einsatz im

Projekt

IGTE

• Institut der Fakultät für Elektrotechnik, Technische

Universität Graz

• Forschungsschwerpunkte

Numerische Berechnung von

elektromagnetischen Feldern

Numerische Optimierung mit stochastischen

Methoden

Multiphysikalische Simulation, Analyse und

Design von Elektrischen Maschinen (Christian

Doppler Labor)

• ca. 30 wissenschaftliche Publikationen/Jahr




Optimierung in der Fahrwerksentwicklung Warum Optimierung?

Neue mathematisch-

physikalische Ansätze in der

Berechnung

Die Randbedingungen der

Simulationen werden immer

genauer erfasst und bewertet

Kürzere Entwicklungszeiten

Immer mehr Spezialisten sind

notwendig, die sich untereinander

abstimmen müssen.

Der Analysebereich wird durch

unterschiedliche Szenarien stark

erweitert.

Reduktion von Entwicklungsschleifen

Potential: Mathematische

Optimierung

Gegenläufige Entwicklungsziele Sehr kleine Auslegungsbereiche




Optimierung in der Fahrwerksentwicklung Anforderungen an das System

Fahrkomfort

Beschleunigung

Bewertung gemäß EN,

ISO

Lichtraumprofil

Einschränkung

Wankverhalten

Verschleiß

Radstandzeit

Radprofilabnutzung

Rollkontaktermüdung

Sicherheit

Fahrstabilität

Rad-Schiene-Kräfte

Entgleisungssicherheit

Traktion

Zugkraft

Antriebsdynamik

Lasten

Lastkollektive

Komponentenkinematik

Festigkeit

Spannungen

Auslastungsgrade

Rahmensteifigkeit




Optimierung in der Fahrwerksentwicklung Bisherige Anwendungen von Optimierung

Komfortoptimierung

Querkomfort: Optimierung des Querpuffers

Optimierung der SD-Anbindung

Optimierung von Rad-Schiene-Kräften

Minimierung der Q-Dynamik durch

Optimieren der Vertikaldämpfer

Neigekoeffizient und Entgleisungssicherheit

Verschleißoptimierung

Optimierung der Radsatzführung

Optimierung eines Radprofils

Geometrische Aspekte




Optimierung geometrischer Strukturen Optimierung der Anordnung des Schlingerdämpfers

Optimierung der Anordnung des Schlingerdämpfers

Geometrie wird bestimmt durch Lage der Kopplungspunkte

Einfach





Anbindung des

Schlingerdämpfers

vertikal & lateral

Länge des

Schlingerdämpfers

Anbauwinkel

des Schlingerdämpfers


Vier Designvariablen





Optimierungsergebnis

Optimierer (Genetischer Algorithmus)

MKS

Komfort

MKS

Stabilität

Komfort im

Wagenkasten

Stabilität

Anbindung des Schlingerdämpfers

Ausgabe

Module

Datenübergabe

Anbindung SD

Komfort

az_1_l_rms

az_1_m_rms

az_1_r_rms

az_m_l_rms

az_m_m_rms

az_m_r_rms

az_2_l_rms

az_2_m_rms

az_2_r_rmsy_RS1

Zielgrößen und Constraints




Optimierung geometrischer Strukturen Optimierung eines Radprofils

Optimierung eines Radprofils

Geometrie wird bestimmt durch Form des Profils

Schwieriger






Zehn Designvariablen

Designvariablen





Optimierer (Genetischer Algorithmus)

Berechnungsmodul

T-g

Flächenpressung

MKS

R/S-Kräfte

Parametrierung Profil

MKS

Komfort

MKS

Stabilität

Prüfung Profil

Modifiziertes Profil Aufbereitung Profil für MKS

Flächenpressung

T-g

Stabilität

Komfort

z-Position der Designvariablen

Ausgabe

Module

Datenübergabe

Profilparameter

Flächenpressung

T-g

OK

Nicht

OK




Optimierung geometrischer Strukturen Optimierung eines Rahmens

Optimierung eines Fahrwerkrahmens

Geometrie wird bestimmt durch Form des Rahmens

Hochkomplex





Optimierer

Parametrierung Rahmen

Constraints aus MKS

FEM-Berechnung

Aufbereitung Rahmen für MKS

Rahmenmasse

Rahmensteifigkeiten

Rahmengeometrie

Ausgabe

Module

Datenübergabe

Rahmengeometrie

Auslastungsgrade

Rahmenmasse

Auslastungsgrad OK

Optimierungsergebnis

Bislang noch nicht möglich

Ausla

stu

ngsgra

d n

icht O

K

Constr

ain

ts M

KS

OK

Constr

ain

ts M

KS

nic

ht O

K





Geometrie wird bestimmt durch Form des Rahmens

Große Anzahl an Designvariablen, einfache Parametrierung ist nicht möglich




Parametrierung komplexer geometrischer Strukturen Mögliche Designvariationen an einer Rahmenstruktur

Viele unterschiedliche Designvariationen möglich




Parametrierung komplexer geometrischer Strukturen Fast Concept Modeler

- Erstellung vereinfachter Konzeptmodelle

- Volle Integration, damit auch volle

Geometriefunktionalitäten

- Schnittstellen zu gängigen FEM-Werkzeugen

Vereinfachung komplexer

Geometrie durch

Punkt – Linie – Skizzen – Balken – Aufdickung der Balken





Modellierung des Drehgestellrahmens im Fast Concept Modeler

Punkt – Linie – Skizzen – Balken – Aufdickung der Balken





Modellierung des Drehgestellrahmens im Fast Concept Modeler

Von der Geometrie zu einem Solidnetz




Parametrierung komplexer geometrischer Strukturen Veränderung der Geometrie

Einfache Handhabung von Geometrieänderungen

durch Beeinflussung der Steuergeometrie





Komplexe Designveränderungen

Definition komplexer Designänderungen mit Hilfe von Beziehungen





Komplexe Designveränderungen

Übertragung auf die Solidgeometrie




Parametrierung komplexer geometrischer Strukturen Automatisierung der Geometrieänderung

Ansteuerung des Änderungsprozesses von Außen

*.txt

Konstruktionstabelle Veränderte Geometrie

Fast Concept Modeler

*.CATpart

*.CATpart




Optimierung komplexer geometrischer Strukturen Automatisierung der Berechnung

Automatisches Einlesen von

Geometrie

*.bat

Steuerdatei

Automatisierung von

• Vernetzung

• Zuweisen von Materialien

• Zuweisen von Lasten

• Zuweisen von Properties

Automatische Berechnung Automatische Auswertung




Optimierung komplexer geometrischer Strukturen Anbindung an das Optimierungswerkzeug

Middleware

(Matlab)

Optimierungs-

algorithmen

Automatisierte Geometrieerstellung Automatisierte Berechnung und Auswertung

Optimierungsläufe




Einsatzmöglichkeiten

Zukünftiger Einsatz

Optimierung des Rahmens (Constraints: Auslastungsgrad, Bauraum, Steifigkeiten) hinsichtlich

Masse

Fertigungskosten

Kopplung zwischen MKS und FEM

Ermittlung von Lastkollektiven für die FEM-Analyse

Verwindeweicher Rahmen

Massenoptimierter Rahmen Bleckdickenveränderung




Michael Alb

VIRTUAL VEHICLE Research Center

[email protected]

Michael Gödl


[email protected]

Heinz-Peter Kotz


[email protected]

Werner Pohl

Contact Software

[email protected]

mailto:[email protected]







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