Die Entwicklung von Simulationssoftware und deren Anwendung im Produktengineering ist typischerweise auf Eigenschaften und Funktionen ausgerichtet und weniger auf strategische Aspekte, wie der Methodenentwicklung oder der Integration von Simulationsaufgaben innerhalb des Entwicklungsprozesses. Denken wir an die Inhalte von Software-Schulungen oder an Gespräche mit Software-Verkäufern stellen wir fest, dass diese naturgemäß den Fokus auf die Erklärung von Eigenschaften und Funktionen richten.
Sie veranschaulichen an ausgewählten Trainingsbeispielen spezieller Anwendungsfälle die entsprechenden Funktionen und Eigenschaften. Ein Dilemma, meinen wir, das hier zum Vorschein kommt. Denn die effiziente Nutzung des Tools kommt zumeist zu kurz. Das Potential von Simulationen wird verkannt. Der integrierte Einsatz von Simulationen in allen Phasen der Produktentwicklung wird nicht ausgeschöpft. Genau hierauf sollte unserer Meinung nach der Anwender jedoch seinen Fokus legen – auf eine Betrachtung über den gesamten Produktentwicklungszyklus für ein noch effizienteres Engineering.

Konzept-X (MVOID) ist davon überzeugt, dass bei der Durchführung von komplexen Engineering-Analysen nicht ein spezielles Softwareprodukt oder die Programmierung einer spezifischen Anwendung die Lösung bietet. Konzept-X (MVOID) sieht die Lösung in der Methodenentwicklung und Integration von diversen Simulationsanwendungen innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses. Strategische Aspekte sollten im Mittelpunkt stehen, wobei Simulationssoftware-Produkte natürlich noch die Grundlage liefern. Signifikant unterschiedlich ist folglich der Weg, wie die Produktverbesserungen erzielt werden: Geeignete Pakete sind auszuwählen, die den Entwicklungsprozess in allen Phasen der Produktentstehung begleiten, die miteinander datentechnisch eng verbunden sind, Änderungen sofort erfassen und Schwachstellen unmittelbar aufzeigen.

Für Dr. A. Svobodnik stellt die Optimierung der Anwendung und die Interaktion geeigneter Simulationssoftware-Werkzeuge die nächste Generation von Simulationssoftware dar. Es geht darum, den Produktentwicklungszyklus in all seinen Entwicklungsstadien mittels integrierter Simulationsmethoden kontinuierlich zu analysieren. Wichtig ist der intelligente Einsatz der Simulations-Softwaretools von Beginn an. Jede Produktlinie, jedes Produkt ist einzigartig und weist Besonderheiten auf. Diese müssen mittels intelligenter Anwendung der Simulationssoftware analysiert werden. Denken wir hier beispielsweise an die verschiedenen Bauteile mit unterschiedlichsten Materialen und unterschiedlichster Platzierung in den diversen Modellen, sei es SUV, Limousine oder gar Cabrio.

Unterschied zwischen Simulations-Software und Simulationsprozess-Modellierung
Mit der nächsten Software-Generation ist also nicht der Austausch der herkömmlichen Engineeringanalyse-Software zu verstehen. Es geht um die intelligente Anwendung von CAE-Software-Paketen über den kompletten Produktentstehungsprozess hinweg. Die Simulationsprozess-Modellierung ist als logische Weiterentwicklung zu betrachten.

Lassen Sie uns kurz zurückblicken: In den vergangenen 25 Jahre der Entwicklung von Finite-Element-Methoden finden wir die nachfolgenden Evolutionsstufen vor:

evolutionary-stages-de

Vermehrt haben wir in den jüngsten Jahren beobachtet, dass Unternehmen das simulationsgetriebene Engineering forcieren und an passenden Lösungen arbeiten. Konzept-X (MVOID) sieht in der Simulationsprozess-Modellierung den Schlüssel, den „Türöffner“, für das simulationsgetriebene Engineering. Es ist weit mehr als der nächste logische Schritt in der Weiterentwicklung von FEM-Methoden. Wir sehen darin eine bahnbrechende Entwicklung.

Lassen Sie uns das näher erläutern: Während sich die Simulations-Software auf die Modellierung der funktionalen Leistungsfähigkeit der Bauteile konzentriert und davon ausgehend das Produkt analysiert und somit einen „Bottom-up“-Ansatz verfolgt, zielt die Simulationsprozess-Modellierung darauf ab, zunächst die wesentlichen Phasen des Produktentwicklungsprozesses zu betrachten und mit Hilfe von intelligenten Methoden passende (Teil-)Prozesse für jede Phase zu entwickeln.

Der Produktentwicklungsprozess verfolgt den „Top-down“-Ansatz, wie auch das vereinfachte, nachfolgende Schaubild demonstriert.

product-development-process-de

Produktentwicklungsprozess in Anlehnung an West, Mike (2008), The Product Development Process

Die Simulationsprozess-Modellierung verfolgt ebenfalls den „Top-down“-Ansatz. Sie kann bereits in der frühen Phase, wie beispielsweise der Konzeptfindung, wertvolle Erkenntnisse aufzeigen. Über zuvor definierte Methoden und Prozesse und unter Nutzung von herkömmlicher Simulationssoftware kann analysiert werden, ob Ideen überhaupt realisierbar sind. Für jede wesentliche Phase des Produktentwicklungsprozesses wird ein detaillierter Simulationsprozess definiert, der im Modellierungsanspruch in folgenden Dimensionen variiert (MVOID® Simulation Process Technology, Automotive Audio Version):

1. Dimension Detail – von Lumped Parameter-(Sub-)Modellen zu detaillierten 3D FEM-Modellen

mvoid-dimension-detail

Lumped Parameter-Modelle basieren auf eindimensionalen, skalaren Gleichungen, um ein physikalisches Gebiet zu beschreiben. Sie beschreiben beispielsweise das Verhalten eines Lautsprechers in Wechselwirkung mit einem Gehäuse und der daraus resultierenden Schallabstrahlung. Für das mechanische und akustische (Luftschall)-Gebiet ergeben sich jedoch wesentliche Einschränkungen. So können beispielsweise für das mechanische System nur kolbenförmige Bewegungen beschrieben werden. Damit ist der anwendbare Frequenzbereich stark limitiert. Bei höheren Frequenzen ist das Schwingverhalten nicht mehr kolbenförmig und es muss ein multidimensionaler Modellierungsansatz verwendet werden. Hier empfiehlt sich die Finite-Element-Methode (FEM). Sie ist heute ein weit verbreitetes Berechnungsverfahren. Mit der FE-Methode können Probleme aus verschiedenen physikalischen Disziplinen berechnet werden.

Insbesondere in der ganz frühen Phase der Konzeptfindung werden vorwiegend LPM-(Sub-)Modelle verwendet, die parallel zur gesamten Fahrzeugentwicklung stetig durch FEM-Modelle verfeinert werden.

2. Dimension Linearität – von linearen zu nichtlinearen Modellen 

mvoid-dimension-linearity

Bei Erregung linearer Systeme mit einem Sinus-Signal erhält man am Ausgang wiederum ein sinusförmiges Signal derselben Frequenz, jedoch mit veränderter Phasenlage und Amplitude (Schwingungen). Diese Eigenschaft weisen nichtlineare Systeme im Allgemeinen nicht auf. Nichtlineare Systeme können an ihrem Systemausgang Frequenzanteile aufweisen, die im Eingangssignal nicht enthalten sind (Verzerrung).

Ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Dimension Detail erfolgt eine „Verfeinerung“ von linearen zu nichtlinearen Modellen bei der Annäherung zum SOP.

3. Dimension Skala – von einzelnen Komponenten zum Gesamtsystem

mvoid-dimension-scale

Im Bereich Automotive Audio stellen die unterschiedlichen Größenordnungen eine besondere Herausforderung dar. Der Luftspalt zwischen Spule und Magnet im Antriebssystem des Lautsprechers liegt beispielsweise im 10tel Millimeterbereich, während die Hauptabmessungen der Kabine – im Hörraum – mehrere 1000 Millimeter beträgt. Wir müssen folglich vier Größenordnungen im Modell abbilden. Eine echte Herausforderung!

Die vorgenannten Kategorien „Detail, Linearität und Skala“ variieren je nach Produkterfordernis und werden in den jeweiligen Phasen des Produktentwicklungsprozesses kombiniert angewendet. Sie dienen als Ausgangspunkt für die Entwicklung des optimalen Simulationsprozesses. Wie zuvor erwähnt, werden hierzu herkömmliche Simulationsanwendungen verwendet. Aufgrund der Besonderheiten von Bauteilen bzw. Prozessabschnitten müssen dazu unterschiedliche Simulationssoftwarepakete eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht darin, die unterschiedlichen Anwendungen miteinander zu koppeln, um alle relevanten Informationen zu transportieren und alle physikalischen Gegebenheiten und Disziplinen zu berücksichtigen. Nur so kann ein exakter Simulationsfluss über den gesamten Produktentwick-lungsprozess erreicht werden.

Die Vorzüge der Simulationsprozess-Modellierung
Voraussetzung für effiziente, virtuelle Entwicklungsergebnisse spezifischer Produkte bzw. Produktklassen sind genügend genaue Simulationen. Das steht außer Frage. Für die Modellierung des Simulationsprozesses ist dabei ein Mindestmaß an Angaben auf Detailebene als auch der kompletten Ebene notwendig. Es bedarf einer sogenannten „kritischen Masse“ an Parametern, so dass ein derartiges Simulationsprozess-Modell einen Benefit für die Entwicklung generiert. Die Simulationsprozess-Modellierung benötigt folglich zunächst einen Mehraufwand für die Strategiefindung und Berücksichtigung der notwendigen Parameter. Die Anwendung potentieller Prozessmodelle ist dabei stärker eingeschränkt im Vergleich zu der Verfügbarkeit von Simulationssoftware, zumindest im nahen bis mittelfristigen Zeitrahmen.

Der Mehraufwand kann jedoch rasch kompensiert werden, da die Vorteile der Simulationsprozess-Modellierung weitreichend und eindeutig sind. In der Regel sind sie zudem kurzfristig realisierbar und sichtbar:

  • Virtuelle Systeme können als Prüfstände für potentielle Innovationen genutzt werden
  • Virtuelle Systeme bieten mehr Freiheit in Design-Entscheidungen
  • Design Änderungen können ohne die Fertigung von Prototypen bewertet werden

Absatz

Auf den ersten Blick erscheinen die Vorteile nicht neu. Ähnliche Vorteile konnten wir bereits bei der ersten Einführung CAE-basierender Simulationen beobachten. Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, dass die Simulationsergebnisse nicht auf die Komponentenebene beschränkt sind, sondern auf die Entwicklung des kompletten Produktes. Die Simulationsprozess-Modellierung intensiviert die Vorteile herkömmlicher Simulationen:

  • Weitere Beschleunigung des Entwicklungsprozesses
  • Weitere Reduzierung von Entwicklungskosten
  • Weitere Kosteneinsparungen für Prototypen
  • Weitere Verbesserung der Produktqualität

Absatz

Für die Entwicklung von Automotive Audio-Systemen hat Konzept-X (MVOID) ein Simulationsprozess-Modell entwickelt. Der komplette Entwicklungsprozess wurde virtualisiert mit Hilfe von fortschrittlichen CAE-Methoden und anderen numerischen Verfahren über alle Disziplinen des Entwicklungsprozesses:

  • Industriedesign
  • Multiphysikalische Engineering-Analyse
  • Digitale Signalverarbeitung
  • Tuning (Equalizing)
  • Psychoakustik und subjektive Bewertung
  • Binaurales AudioAbsatz

Absatz

Konzept-X (MVOID) ist davon überzeugt, dass die Anwendung des zuvor beschriebenen Simulationsprozess-Modells in Projekten der Automobilindustrie die obengenannten Vorteile bietet und dazu beitragen kann, Produktverbesserungen unmittelbar zu realisieren.

Nähere Informationen zur Implementierung eines Simulationsprozess-Modells finden Sie in früheren Veröffentlichungen von Dr. A. Svobodnik: 2013, Do we still need (new) Software? – On the way from Software Development to Process Development und 2013, Virtual Development of Audio Systems – Application of CAE Methods.