Mehrkörpersystem Simulation mit SIMULIA Simpack

Das Software-Entwicklungsunternehmen Dassault Systèmes hat seine SIMULIA Produktpalette erweitert. Mit dem Mehrkörpersystem (MKS) Simulationspaket Simpack wird eine vielseitige und funktionsstarke Ergänzung zur Konstruktion unter CATIA sowie der Analyse flexibler Körper mit Abaqus angeboten.

Im Gegensatz zur Methode der finiten Elemente betrachtet MKS die einzelnen Körper in der Regel als starr. Damit haben mechanische Systeme weniger Freiheitsgrade als ein FEM Modell, was zu wesentlich verkürzten Rechenzeiten führt. Auch lassen sich im Vergleich zur FEM länger dauernde Zeiträume und räumlich ausladende Systeme effektiv und stabil berechnen.

Ein höherer Abstraktionsgrad macht MKS schneller als FEM:

  • Simulation komplexer Mechaniken (z.B. Antriebsstränge, Getriebe, Gesamtfahrzeuge, Werkzeugmaschinen oder Powertools)
  • Systemsimulation (mittels Koppelung zu Multi-Domain Tools wie Dymola oder Matlab/Simulink)
  • Optimierung des Gesamtsystems (z.B. mit Isight)
  • Variantenrechnung (Isight oder das interne DOE Modul)

Der folgende Film zeigt einen ersten Überblick über Simpack:

Simpack_Trailer

Mehrkörpersystem Simulation mit SIMULIA Simpack

Die 3 größten Herausforderungen bei der industriellen Entwicklung:

System Simulation gewinnt an Bedeutung

System Simulation gewinnt an Bedeutung

Über SIMULIA Simpack 

Simpack entstand im Rahmen einer Ausgründung der DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und wurde lange Jahre von der Simpack AG nahe München entwickelt. Die zugrundeliegende Methode, die Bewegungsgleichungen in Minimalkoordinaten aufzustellen, zusammen mit der extrem stabilen und effizienten Solvertechnologie, ist eine der herausragenden Merkmale von Simpack. Der Softwareentwickler Dassault Systèmes erkannte die Vorzüge von Simpack frühzeitig und fokussierte eine intensive Zusammenarbeit mit der Simpack AG die letztendlich zur Implementierung von Simpack in die SIMULIA Produktpalette führte.

Bewegungsgleichungen in Minimal-Koordinaten

Je komplexer das mechanische Modell ist, um so größer ist der Geschwindigkeitsvorteil von Simpack gegenüber anderen MKS Programmen, welche auf Absolut-Koordinaten beruhen. Am Beispiel einer Kette kann das Funktionsprinzip  anschaulich erklärt werden. In Simpack trägt jedes zusätzliche Kettenglied nur einen weiteren Freiheitsgrad zum Gleichungssystem bei. In MKS-Programmen, die auf Absolut-Koordinaten aufsetzen, bringt jedes Kettenglied 6 Freiheitsgrade und 5 Gleichungen für die Zwangsbedingungen mit sich. Weitere Vorzüge der Minimal-Koordinaten-Formulierung sind die bemerkenswerte numerische Stabilität über einen weiten Frequenzbereich sowie die einfache und konsistente Behandlung der Anfangsbedingungen.

Vielseitige Schnittstellen

Schon frühzeitig wurde von den Entwicklern von Simpack erkannt, dass die Zukunft der industriellen Simulation auf dem Bereich der Systemsimulation liegt. Oft interessieren sich die Anwender nicht primär für die MKS typischen mechanischen Resultate, sondern es werden weitere Simulationstools oder Hardware mit der MKS-Simulation gekoppelt. So wird z.B. bei Windkraftanlagen das komplexe Wechselspiel von Windlast, Rotorbewegungen, Getriebe, Generator bis hin zur Rückwirkung des angekoppelten Stromnetzes mit Simpack simuliert.

Die Positionierung von Simpack innerhalb des CAE

Multidomaine2

Simpack untersucht nichtlineares Systemverhalten

Flexible Körper

Obwohl Simpack als MKS-Tool die Körper im Regelfall als starr betrachtet, ist es dennoch möglich – dort wo es nötig und sinnvoll ist – einzelne Körper des Systems als flexiblen Körper zu modellieren. Durch eine Modal-Reduktion des FEM-Modells bleibt die Simulation dennoch deutlich schneller als bei einem FE-Modell. Flexible Körper können entweder mittels eines Balkenansatzes – mit verschiedenen Querprofilen wie z.B. Kreis oder Vierkant – modelliert, oder aber aus einem bestehenden FE-Modell importiert werden. Bei beiden Methoden ist, abhängig von den zu betrachtenden Kräften bzw. Verformungen, ein linearer oder ein nichtlinearer Ansatz wählbar. Es ist zudem möglich eine Co-Simulation mit Abaqus durchzuführen.

Systemsimulation

Durch Schnittstellen wie FMI (Functional Mock-up Interface), IPC (Interprocess Communication) oder eine native Anbindung an Matlab/Simulink können Co-Simulationen einfach realisiert werden. Speziell mit Dymola und seinen vielfältigen Modelica-Bibliotheken lassen sich so mittels FMI Co-Simulation unter anderem elektrische oder fluiddynamische Komponenten berücksichtigen und deren Einfluss auf die Systemdynamik analysieren. Es existieren aber auch schon eine Reihe von Control-Elementen in Simpack die ohne Co-Simulation nutzbar sind (z.B. PID-Controller, Luftfeder oder Fahrermodelle für PKW und Motorrad). Auch der Einfluss des Bedieners auf die Systemdynamik kann mittels einer biomechanischen Modellbibliothek analysiert werden (z.B. Vibrationswerte handgehaltener Maschinen).    

Prozessautomatisierung und Konstruktionsuntersuchung

Bei der Betrachtung von Produktvarianten oder der Suche nach der optimalen Konstruktion kann durch eine automatisierte Eingabe der Modelldaten die Effizienz in der Produktentwicklung deutlich erhöht und Fehlerquellen bei Modellierungs- und Simulationsannahmen vermieden werden. Nativ unterstützt Simpack dies durch ein DOE-Modul (Design of Experiments), eine Anbindung an SIMULIA/Isight bietet aber weit darüber hinausgehende Möglichkeiten wie z.B. die Optimierung von Designparametern oder das Anfitten von Parametern an Messdaten. Das ermöglicht bei der Suche nach den Parametern eines Elastokinematischen Elements eine Effizienzsteigerung gegenüber der manuellen Anpassung.

Import von CAD-Modellen

Über die Schnittstelle CATsim V5 können die Körper von CATIA Produkten exportiert werden. Hierbei werden die Geometrien, Achsensysteme, Körperschwerpunkte sowie die Massen und Trägheitstensoren (die Trägheit gegenüber Änderungen des Drehimpulses basierend auf Volumen und Materialparameter) als SIMPACK-Modell exportiert.