Automatisierung von Simulationsprozessen zur Optimierung von Workflows bei der Automobilkonstruktion

Automobilindustrie sucht nach Innovation

Es ist Generationen her, dass ein großer Automobilhersteller jedes Teil im eigenen Haus gebaut hat. Heute tragen Hunderte von Unternehmen auf der ganzen Welt zur Produktion bei, unabhängig vom Heimatland des Erstausrüsters (OEM). Im Laufe der Jahre hat jedes dieser Unternehmen seinen eigenen Weg zur Engineering-Automatisierung gefunden.

Die DENSO Corporation (DENSO), der weltweit zweitgrößte Anbieter von Automobilteilen und -systemen, ist da keine Ausnahme. Das Unternehmen wurde 1949 als Unternehmen der Toyota-Gruppe gegründet und hat sich zu einem unabhängigen Autoteilelieferanten für fast alle führenden OEMs entwickelt. Es ist zudem auf vielen weiteren Märkten aktiv, einschließlich denen für Haushaltsheizgeräte und Industrieroboter. Das Unternehmen ist Mitglied der Fortune Global 500 und verfügt über mehr als 200 konsolidierte Tochtergesellschaften rund um den Globus. Es ist ein vertrauenswürdiger Partner in der Lieferkette für viele der größten Automobilmarken der Welt. Auch in der Forschung und Entwicklung (F&E) für Elektro- und Hybridfahrzeuge arbeitet DENSO eng mit seinen Automobilpartnern zusammen.

CAD-Geometrie mit Farbcodierung.

Der Engpass bei der Simulation

Eine große Herausforderung besteht heute darin, die Produktivität bei der Konstruktion und Simulation von Automobilteilen zu verbessern. Schon vor dem Aufkommen von Softwarelösungen konzentrierten sich die Entwickler auf die Geometrie und wandten sich an Analysten, um die Leistung zu testen und zu validieren. Allerdings waren Simulationsteams schon immer viel kleiner als Konstruktionsteams – was zu einem Engpass im Entwicklungsprozess führte.

In den letzten Jahren haben Fortschritte in den Bereichen Rechenleistung und Software es ermöglicht, den Prozess zu optimieren. Die meiste Analysesoftware kann verwendet werden, um eine komplexe Analyse in wenigen Stunden statt in Tagen zu lösen. Aber das Hin und Her zwischen Konstruktions- und der Simulationsgruppen existiert weiterhin. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Analysten Aspekte des Modells abklären müssen oder Konstrukteure bitten, die Form zu ändern, um ein besseres Ergebnis zu erzielen. Der oben erwähnte Engpass bedeutet, dass jeder Zyklus je nach Komplexität des Teils oder Produkts Tage oder Wochen dauern kann.

„Wir haben ein Problem mit langen Vorlaufzeiten für CAE bei der Produktkonstruktion“, erklärt Yuichi Kondo, Project Assistant Manager bei DENSO. „Die Kommunikation ist zeitaufwändig.“ Kondo bezieht sich auf das Hin und Her zwischen Konstruktions- und Computer-Aided-Engineering-Teams (CAE), um die erste Analyseanforderung zu erstellen, Daten an das CAE-System zu übertragen, auf mehrere Anfragen zu antworten, das Simulationsmodell zu erstellen und auszuführen, Analyseberichte zu erstellen und die Konstruktion zu überarbeiten. In der Regel gibt es mehrere Entwurfs- und Testrunden, während sich das Team einer Lösung nähert, wobei mehrere Übersetzungen zwischen CAD- und CAE-Formaten hin- und herwechseln. Es handelt sich um einen erheblichen Workflow-Engpass, mit dem Unternehmen seit Jahren zu kämpfen haben.

Wenn die Konstruktionsteams die grundlegende Simulation frühzeitig selbst durchführen könnten, würde dies den Simulationsteams Zeit geben, sich auf kompliziertere Analysen zu konzentrieren.

Der Weg in die Zukunft

DENSO ist ein langjähriger Partner von Siemens Digital Industries Software, beginnend mit dem Einsatz von NX-Software™ für Konstruktion und Fertigung und Simcenter-Software™ für die Simulation. NX und Simcenter sind Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform für Software, Hardware und Services.

DENSO verwendet NX-Module, um jeden Aspekt der Produktentwicklung von der Konzeptentwicklung bis zur Fertigung zu unterstützen, und ist ein integriertes Toolset, das zur Koordination von Disziplinen und zur Beibehaltung der Konstruktionsabsicht verwendet werden kann. DENSO verwendet auch Simcenter 3D für die Simulation, eine umfassende, vollständig integrierte Lösung für die disziplinenübergreifende Simulation. Simcenter 3D teilt sich eine gemeinsame Plattform mit NX.

Mit den Siemens-Tools sah DENSO die Möglichkeit, den traditionellen Workflow zwischen Konstruktion und technischer Analyse zu optimieren und die Disziplinen zu vereinen. Dies galt insbesondere für die Konstruktion und Analyse von Bauteilen, bei denen die Simulationsprozesse eher routinemäßig sind. Das Ziel von DENSO war es, die Iteration durch einen neuen Workflow zu reduzieren oder zu eliminieren.

Eine integrierte Plattform

Da Simcenter 3D und NX eine gemeinsame Plattform nutzen, kann die Geometrie nahtlos vom CAD an die CAE-Umgebung und zurück übergeben werden. Das Simulationsmodell ist mit der Konstruktionsgeometrie verknüpft, sodass das Simulationsmodell bei Änderungen an der vorgelagerten Konstruktionsgeometrie problemlos aktualisiert werden kann. Allein diese Konnektivität zwischen dem Hauptteil und dem CAE-Modell spart DENSO viel Zeit, die zuvor für die Teileübersetzung, die Kommunikation zwischen den Teams und die gesamte notwendige Dokumentation aufgewendet wurde, die durch diese Iterationen generiert wurde.

Ermutigt durch diesen verbesserten Workflow erreicht DENSO nun eine weitere Innovationsstufe. Das Unternehmen ist Es entwickelt den so genannten integrierten Prozess NX CAD und Simcenter 3D. Analysten verstehen die Simulationsprozesse, die für bestimmte Arten von Komponenten wiederholbar sind. Das Simulationsteam erfasst Best Practices für die Modellierung und den Prozess und verpackt diese in Simulationsvorlagen, die von Konstrukteuren mit NX genutzt werden.
Diese Vorlagen erfordern, dass die Konstrukteure einige Eingaben vornehmen, bevor die Vorlage CAE-Daten erzeugen kann.

Wie in der Vergangenheit beginnen Konstrukteure mit der Erstellung eines Modells in NX. Konstrukteure müssen jedoch einige kritische Geometriemerkmale des Modells farbcodieren, z. B. wo es schmale Verschmelzungen geben kann oder wo das Modell eine feste Abhängigkeit haben wird. Wenn der Konstrukteur bereit ist, die Teileleistung zu analysieren, wendet er eine FEM-Vorlage (Finite-Elemente-Methode) an, die die Erstellung des FE-Netzes auf der Grundlage eines Regelwerks in der Vorlage automatisiert.
Dies wird durch die Farbcodierung von Geometriemerkmalen bestimmt, um ein Netz von guter Qualität zu gewährleisten.

Vollständiges Simulationsmodell mit Lasten und Randbedingungen, die aus der SIM-Vorlage definiert sind.

Als Nächstes wendet der Konstrukteur die SIM-Vorlage an, die auch die Farbcodierung von Geometriemerkmalen verwendet, um die entsprechenden Randbedingungen und erforderlichen Simulationsparameter festzulegen.

Dann führt der Konstrukteur einfach das Simulationsmodell aus und kann die Ergebnisse anzeigen. Basierend auf den Ergebnissen kann der Konstrukteur Geometrieänderungen vornehmen, um die Belastung zu verringern oder andere Leistungsaspekte zu verbessern, und dann die Simulationsvorlagen und Analysen schnell erneut ausführen, um die Ergebnisse zu bestätigen. Nachfolgende Analyseiterationen gehen sogar noch schneller, da das Modell bereits farbcodiert ist, sodass der Konstrukteur keine zusätzliche Arbeit leisten muss.

„Dies ist ein großer Vorteil des integrierten Prozesses von NX CAD und Simcenter 3D“, sagt Kondo. Die farbcodierten Informationen sind Teil des Modellierungs-Feature-Verlaufs, so dass der Konstrukteur sie bei der Entwurfsarbeit unterdrücken kann. Wenn der Konstrukteur bereit ist, die Simulation auszuführen, kann er die Unterdrückung der Farbcodierungsmerkmale rückgängig machen. „Das macht es für die Konstrukteure sehr einfach, die Farbcode-Informationen zu verstehen und wiederzuverwenden“, fährt Kondo fort.

FE-Netz, das aus einer FEM-Vorlage auf der Grundlage von Farbcodierungsregeln erstellt wurde.

Erweiterung des integrierten Prozesses

Der integrierte Prozess Simcenter 3D und NX kann auch auf Baugruppen angewendet werden. Ein früher Test umfasste mehr als 30 Komponenten in einer Baugruppe. Ziel war es, die Modelle vorzubereiten und eine lineare statische Analyse durchzuführen. Da jede Komponente der Baugruppe über farbcodierte Geometrie-KEs verfügt, kann die Gesamtzahl in einer Baugruppe recht groß sein. Obwohl die Geometriemodelle groß sind, legen die Simulationsvorlagen das Netz, die Randbedingungen und die Parameter für die gesamte Baugruppe auf der Grundlage der Farbcodierung genau fest. Dies bietet einen Skalierungsvorteil bei der Verwendung der Vorlagen.

Insgesamt fand DENSO erhebliche Vorteile in der Verwendung eines halbautomatischen Vorlagensystems, um Konstrukteure bei der Vorbereitung von Modellen für grundlegende Simulationen und Analysen zu unterstützen. Konstrukteur müssen die Farbcodierung nur einmal einstellen, dann steht sie für so viele Simulationen zur Verfügung, wie benötigt werden. Bei den farbcodierten Schnitten handelt es sich um Bereiche, in denen der Analyst in der Vergangenheit einige Einstellungen beim Erstellen eines Simulationsmodells manuell bearbeiten musste. Jetzt, da all diese Details von der Vorlage erfasst und automatisiert werden, stellt die größere Menge an Farbcodierung in einem Modell eine größere potenzielle Zeitersparnis für dieses Modell im Vergleich zum ursprünglichen Prozess dar. „Je größer die Anzahl der Farbeinstellungen, desto größer die Arbeitszeitreduzierung“, bemerkt Kondo.

DENSO schätzt, dass die durchschnittliche Zeit für die Analyse durch den Einsatz des integrierten Prozesses um bis zu 80 Prozent reduziert werden konnte. Die Reduzierung der gemeinsamen Nutzung von Dateien und anderer Kommunikation zwischen den Abteilungen bedeutete eine Verringerung menschlicher Fehler. Das Unternehmen stellte auch fest, dass der integrierte Prozess zu einer Qualitätssteigerung führte, da Konstruktionsprobleme früher erkannt und vor dem Projektfortschritt behoben werden können.

„Durch die Verwendung des integrierten Prozesses und der CAE-Vorlage von NX CAD und Simcenter 3D haben wir den Zeitaufwand für die CAE-Analyse um bis zu 80 Prozent reduziert“, sagt Kondo.

Ein Blick in die Zukunft auf das Simulationsdatenmanagement

Mit Blick auf die Zukunft arbeitet DENSO daran, die Nutzung des integrierten Prozesses auf das Daten- und Lebenszyklusmanagement auszuweiten. Für das gesamte Konstruktionsdatenmanagement nutzt DENSO die Teamcenter-Software®, die ebenfalls Teil der Siemens Xcelerator Business Platform ist. Vor der Einführung des integrierten Prozesses wurde das Master-Modell in Teamcenter gespeichert, aber die Analysten arbeiteten außerhalb von Teamcenter mit einem separaten Speicher- und Verwaltungssystem. In diesem System wurden die CAD-Daten innerhalb der Simulation und die Simulationsdaten selbst nicht verfolgt.

„Dieser Prozess hat zwei Hauptprobleme“, fährt Kondo fort. „Es kostet Zeit und Mühe, die CAD-Daten aus Teamcenter zu exportieren und zu importieren.“ Analysten müssen sicherstellen, dass sie die richtigen Geometriedateien für ihre Simulationen verwenden. Daten, die sich auf die CAD-Variante beziehen, müssen manuell verfolgt werden. Wenn sich Teammitglieder ändern, ist es oft notwendig, von vorne zu beginnen und ein neues Simulationsmodell zu erstellen.

„Da die Daten von einzelnen Analysten verwaltet werden, können neue Anwender die vorhandenen CAE-Daten, die von anderen Analysten erstellt wurden, nicht finden“, sagt Kondo. „Der neue Analyst muss also jedes Mal neue CAE-Daten erstellen, wenn es eine technische Änderung gibt.“

Der neu vorgeschlagene Workflow besteht darin, alle verschiedenen Datenversionen – Simulationsdatendateien und die zugehörigen Vorlagen – in Teamcenter zu speichern. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, CAD-Daten bei jeder Analyse zu exportieren und zu importieren.

Die Nutzung von Teamcenter bietet einen zusätzlichen Vorteil. Modelldaten können im JT-Datenformat™ angezeigt werden, das für eine schnelle Anzeige ohne die Host-Software (NX oder Simcenter 3D) ausgelegt ist. JT-Dateien sind im Vergleich zu den ursprünglichen Datendateien, die sie darstellen, klein, manchmal um den Faktor 50. Auf diese Weise können Teammitglieder, die keine regelmäßigen NX- oder Simcenter 3D-Anwender sind, schnell eine Konstruktionsprüfung durchführen.

DENSO führt weiterhin sowohl den integrierten NX- und Simcenter-3D-Prozess als auch die Teamcenter-Erweiterung dieses Workflows ein. Es wird erwartet, dass die Arbeitszeit weiter reduziert und die Qualität gesteigert wird, was bereits an den Standorten für die frühe Einführung erreicht wurde.