AT501214B1 - Verfahren zur auslegung und konstruktion von komplexen technischen produkten - Google Patents

Description

2 AT 501 214 B1

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung und Konstruktion von komplexen technischen Produkten und deren Bauteilen, insbesondere von Brennkraftmaschinen, wobei zur Simulationsberechnung Hilfsmittel zur rechnergestützten Ingenieursarbeit und zur Konstruktion Hilfsmittel zur rechnergestützten Konstruktion eingesetzt werden. Für die Hersteller von Kraftfahrzeugen ist es eine existenzielle Aufgabe, den schnellen wechselnden Markttrends mit immer kürzeren Modellzyklen trotz steigendem Kostendruck gerecht zu werden. Daher ist es äußert wichtig, für eine Motorenneuentwicklung zielsicher ein Optimum hinsichtlich den Anforderungen an Wirkungsgrad und Performance sowie dem sicheren Einhalten der gesetzlichen und/oder vom Markt vorgegebenen Randbedingungen zu erreichen. Zu dem gilt es, die Anforderungen hinsichtlich Herstellbarkeit und Robustheit im praktischen Gebrauch zu erfüllen, um das Produkt wettbewerbsfähig zu machen. Diese Anforderungen müssen in Entwicklungsprojekten umgesetzt werden, die immer weniger Zeit für die Entwicklungsarbeiten vorsehen, um eine möglichst rasche Markterschließung zu ermöglichen.

Gemäß dem in der US 2001/0016803 A1 beschriebenen allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, die Teile verschiedener Baugruppen mit verschiedenen CAD-Systemen zu konstruieren. Über standardisierte Formate können Teile, die in einem CAD-System kreiert wurden, in ein anderes CAD-System transformiert werden. Die transformierten Dateien werden einem Kollisionstest unterzogen. Wenn während des Kollisionstests eine Diskrepanz festgestellt wird, so muss die transformierte Konstruktionsdatei im ursprünglichen CAD-System modifiziert werden. Dieser Abstimmungsvorgang muss gegebenenfalls mehrmals wiederholt werden, was Zeit und kostenaufwendig ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird in der US 2001/0016803 A1 ein Verfahren vorgeschlagen, welches vorsieht, dass in einem CAx-System von einem Anwender ein Bauraum für die Konstruktion des Bauteiles festgelegt werden kann, der an eine Zentraldatenbank übertragen wird. In der Zentraldatenbank werden alle bereits vorhandenen Bauteile der gleichen Konstruktionseinheit ermittelt, die oder deren Bauräume in Berührung mit dem festgelegten Bauraum kommen. Die ermittelten Bauteile werden dann ausschnittsweise oder komplett als Bauraumumgebung an das Cax-System übertagen und dort in korrekt relativer Lage zu dem festgelegten Bauraum für die Konstruktion des Bauteils dargestellt. Dabei geht es vor allem darum, die Konstruktion von Teilen auf der Basis einer zentralen Datenbank durchzuführen. Für die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Entwicklungs- und Konstruktionsprozess für ein komplexes technisches Produkt so zu verändern, dass alle genannten Anforderungen in einem vorgegebenen Zeitrahmen zuverlässig und unter Einhaltung hoher Qualitätsstandards erfüllt werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lösung dieser Aufgabe in folgenden Schritten gesehen: a) Ablegen von entwicklungsspezifischen Informationen in zumindest einer Wissensdatenbank, b) Definieren der Produktanforderungen, wobei die Produkteigenschaften und/oder Anforderungen durch Steuerparameter definiert werden, c) Erstellen einer Produktstruktur mit den Hilfsmitteln der rechnergestützten Konstruktion, wobei das Produkt innerhalb der Produktstruktur in Hauptbaugruppen unterteilt wird und jeder Hauptbaugruppe ein Hauptskelettteil mit Hilfsgeometrieelementen zugeordnet wird, d) Auswählen einer Modellstruktur aus den Hilfsmitteln der rechnergestützten Ingenieursarbeit, e) Transformation zumindest eines Teiles der Parameter der Produktstruktur auf die Modellstruktur, f) Simulation und Berechnung zumindest eines Teiles der Modellstruktur des Produktes oder Bauteiles aufgrund der transformierten Parameter der Produktstruktur, g) Rücktransformation der aktualisierten Parameter der Modellstruktur auf die Produktstruktur. 3 AT 501 214 B1

Dadurch, dass die Produkteigenschaften und/oder Anforderungen durch Steuerparameter definiert werden, kann eine parametrierte Steuerung des Produktes, beispielsweise eines gesamten Grundmotors bestehend aus den Hauptbaugruppen Zylinderkurbelgehäuse, Kurbeltrieb, Zylinderkopf, Ventiltrieb und Steuertrieb vorgenommen werden.

An der Schnittstelle zwischen Geometriedefinition und Simulation tritt das Problem auf, dass die in einem CAD-System (CAD = Computer Aided Design) gestalteten Produktmodelle und die für die verschiedensten CAE-Berechnungswerkzeuge (CAE = Computer Aided Engineering) verwendeten Modellstrukturen übereinstimmen müssten, um einen einfach automatisierten Austausch von Daten zu erlauben. Allerdings zeigt bereits eine einfache Analyse, dass die in den Simulationssystemen benötigte Modellstruktur nicht mit der Produktstruktur korreliert, die in CAD-Systemen und PDM-Systemen (PDM = Product Data Management) vorhanden ist. Durch die Transformation der Parameter aus der Produktstruktur in die Modelstruktur und die Rücktransformation kann eine Übereinstimmung zwischen Rechen- und Konstruktionsmodellen erreicht werden.

Insbesondere bei hochkomplexen Produkten ist es vorteilhaft, wenn nach Definition der Produktanforderungen diese in Teilanforderungen unterteilt werden, wobei vorzugsweise die Teilanforderungen funktionell miteinander abgestimmt werden. In weiterer Folge ist vorgesehen, dass Teilmodelle zur Erfüllung der Teilanforderungen aus einer vorgegebenen Gruppe von Hilfsmitteln zur rechnergestützten Ingenieursarbeit ausgewählt werden. Die Teilmodelle können dabei einzelnen Teilanforderungen zugeordnet sein. Durch Zusammenführen der Teilmodelle zu einer digitalen Modellstruktur kann ein Entwicklungsmodell für das gesamte Modell erzeugt werden.

Zum Vergleich und zur Beurteilung von äquivalenten Produktionsmethoden innerhalb der Prozesskette ist es besonders vorteilhaft, wenn einzelne Produktionsschritte eines Bauteiles abgebildet werden. Dabei können in Abhängigkeit der Komplexität des Bauteiles sowie des Herstel-lungs- und Bearbeitungsprozesses unterschiedliche Modellstrategien zum Einsatz kommen. In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Produkt innerhalb der Produktstruktur in Hauptbaugruppen unterteilt wird und jeder Hauptbaugruppe ein Hauptskelettteil mit Hilfsgeometrieelementen zugeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Aufbau einer Konstruktion durch Beziehungen zwischen geometrischen Grundelementen auf niedriger Ebene und zwischen Bauteilen auf höherer Ebene festzulegen und auch bei Änderung der Parameter dieser Beziehungen einen Konstruktionsablauf zu automatisieren. Diese Vorgangsweise erlaubt den Aufbau einer groben Entwurfskonstruktion, die schrittweise verfeinert werden kann, ohne die Beziehungen zu verletzen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein Ablaufdiagramm im Gesamtentwicklungsprozess eines Produktes, Fig. 2 ein Blockschaubild über die Schnittstellenintegration Simulation-Konstruktion, Fig. 3 einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit berechnungsspezifischen Orientierungspunkten, Fig. 4 einen vernetzten Schlepphebel mit Orientierungspunkt-Information, Fig. 5 ein Kommunikationsschema an der Schnittstelle CAD/CAE und Fig. 6 eine Aufbaumethode für einen Gesamtmotor.

Kernpunkt der nachfolgend im Detail beschriebenen Methoden- und Sequenzoptimierung ist das digitale Produktmodell, das einfache, nur aus 2D- oder 3D-Geometrie bestehende Modelle ersetzt und neben der Geometrie alle Daten erfasst, die während der unterschiedlichen Entwicklungsphasen anfallen. Die damit zwangsläufig entstehende Datenflut bedingt komplexe Systeme zur Datenhaltung, wie EDM (Engineering Data Management) und PDM (Product Data Management).

Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anhand einer Brennkraftmaschi-ne. Das Verfahren ist aber selbstverständlich auch für andere komplexe technische Produkte 4 AT 501 214 B1 geeignet.

Vor dem Hintergrund der aktuellen Erweiterungen der Modellvielfalt von Fahrzeugherstellern und der damit verbundenen Kombination von Ladungswechsel- und Verbrennungstechnologien 5 mit existierenden und neuen Motorbaureihen kommt der Flexibilität neu geschaffener Prozesse und Methoden große Bedeutung zu. Die Festlegung der Motorhauptabmessungen erfordert dabei strategische Überlegungen zur Hubraumstaffelung sowie der Festlegung von Zylinderzahlen und Bauformen, die in der Konstruktionsmethodik abgebildet werden müssen. Ziel neuer Konstruktionsprozesse ist demnach neben der Optimierung der Konstruktionszeit sowie gestei-io gerter Qualität die Anpassbarkeit und Reproduzierbarkeit der Randbedingungen. Desweiteren soll die Möglichkeit der direkten Weiterverwendung von Konzepten für die Layout- und Detailphase sowie für simultan ablaufende und nachfolgende Prozesse bestehen, womit eine Straffung des Gesamtentwicklungsprozesses erreicht wird. 15 Alle Maßnahmen dienen dazu, die notwendige Qualität zu schaffen, um in einem Schritt den hohen Konstruktionsreifegrad zu erzielen, der die Eliminierung einer Motorgeneration ermöglicht.

Dementsprechend lassen sich zur Realisierung folgende 3 Schwerpunkte ableiten: 20 • Metamethodik • Aufbaumethodik • Sequenzoptimierung durch Nutzung der Feature-Technologie 25 Unter Metamethodik versteht man einen übergeordneten Ansatz, dessen Geltungsbereich unabhängig von den eingesetzten CAD/CAE Werkzeugen sein soll. Die Metamethodik umfasst 5 Teilaspekte, die ergänzend ineinandergreifen: • Wissensdatenbanken/Lastenhefte 30 · Modularisierung und Frontloading • Steuerparameter • Produktionsäquivalenz • Schnittstellenintegration 35 Da der Großteil der Konstruktionen nicht ohne Vorbild („Neukonstruktion erster Art“) entsteht, sondern durch die Konfiguration und/oder Kombination von bereits bekannten Voll- oder Teillösungen („Neukonstruktion zweiter Art“), ist der Aufbau und die Implementierung von Ent-wicklungs- und Wissensdatenbanken für die Nutzung bereits gesammelter Erfahrung von zentraler Bedeutung. Dabei soll einerseits das Wissen einzelner erfahrener Mitarbeiter, welche die 40 Übertragbarkeit vergangener und ihnen bekannter Lösungen bereits heute nützen, zugänglich gemacht werden, andererseits werden Lastenhefte generiert, die die Eigenschaften bekannter Bauteile so genau wie möglich spezifizieren. In diesem Zusammenhang orientieren sich die Anforderungen nicht nur an den Produkteigenschaften, sondern auch an der durchgängigen rechnerunterstützten Prozesskette. Damit werden ungewollte Iterationen im Gesamtentwick-45 lungsprozess vermieden. Basis für diese Objektorientierung sind EDM- und PDM-Systeme, die plattformunabhängig und projektphasenübergreifend nutzbar sein müssen.

Die ursprüngliche Möglichkeit der Konstruktionsmethodik, zu Korrekturzwecken Rücksprünge an bestimmte Stellen im zeitlichen Ablauf des Konstruktionsablaufes vorzunehmen, ohne dabei so die grundsätzliche Reihenfolge der Bearbeitung zu verlassen, wird ersetzt durch neue, teils systematische, teils chaotische Vorgehensweisen auf Basis von Teilmodellen und digitalisierten Produktmodellen. Grundvoraussetzung dafür ist die Modularisierung des Produktes in Teilaufgaben sowie die Beschreibung der Zusammenhänge zwischen diesen Teilaufgaben. Durch ein intensives Frontloading (Fig. 1) können die Teilaufgaben im Sinne eines Concurrent Enginee-55 ring sodann optimal verzahnt werden. In Fig. 1 ist der Entwicklungsgrad E und der Input I über 5 AT 501 214 B1 die Entwicklungszeit t aufgetragen. Mit Bezugszeichen 1 bis 4 sind die einzelnen Entwicklungsphasen Konzeptstudie, Vorentwicklung, Serienentwicklung und Serienabsicherung bezeichnet. Der Vorgang des sogenannten Frontloadings, also des Vorziehens des Einbringens von entwicklungsspezifischen Informationen, ist mit den Pfeilen P angedeutet.

Die Erarbeitung von sinnvollen Teilmodellen für komplexe Motorhauptbauteile sowie deren Zusammenführung zu einem digitalen Produktmodell ermöglicht eine eindeutige Steuerung der Bauteileigenschaften entsprechend der technischen Anforderung (z.B. Funktion, Package, Fertigung, Montage, Kundendienst, Prüfbarkeit etc.). Die Steuerung erfolgt dabei durch Steuerparameter, die aus den Bauteilspezifikationen bzw. Lastenheften abgeleitet werden. Ziel ist die parametrierte Steuerung des gesamten Grundmotors, bestehend aus den Hauptbaugruppen Zylinderkurbelgehäuse, Kurbeltrieb, Zylinderkopf, Ventiltrieb und Steuertrieb.

Die Steuerparameter der einzelnen Hauptbaugruppen sind dabei hierarchisch den strategischen Überlegungen, wie Hubraumstaffelung, Festlegung von Zylinderzahlen, Bauformen etc. untergeordnet. Durch diesen klaren Referenzfluss wird eine „top-down“-Steuerung ermöglicht upd Fehlerquellen durch Kreisreferenzen verhindert. Die Anzahl der Steuerparameter wird bewusst so limitiert, dass einerseits die motorischen Hauptfunktionen, andererseits rasche und prozesssichere Änderungen dargestellt werden können. Zur besseren Übersichtlichkeit werden dabei die Parameter in Sets zusammengefasst.

Die Basis für eine durchgängige Prozesskette stellt die Abbildung der einzelnen Produktionsschritte eines Bauteiles dar, wobei in Abhängigkeit der Komplexität des Bauteiles sowie des Herstellungs- und Bearbeitungsprozesses unterschiedliche Modellstrategien zum Ansatz kommen.

An der Schnittstelle zwischen Geometriedefinition und Simulation tritt das Problem auf, dass die im CAD-System gestalteten Produktmodelle und die für die verschiedensten CAE-Berechnungswerkzeuge verwendeten Modellstrukturen übereinstimmen müßten, um einen einfach automatisierbaren Austausch von Daten zu erlauben. Allerdings zeigt bereits eine einfache Analyse, dass die in den Simulationssystemen benötigte Modellstruktur nicht mit der Produktstruktur korreliert, die in CAD-Systemen und PDM-Systemen vorhanden ist. Dementsprechend ist die Integration der Schnittstellen in den konstruktionsmethodischen Ansatz CON unabdingbar. Fig. 2 zeigt schematisch den Weg, die Modellanforderungen aus den verschiedenen Simulationsbereichen der rechnergestützten Ingenieurarbeit CAE so in das CAD-Modell zu integrieren, dass einerseits eine Übereinstimmung zwischen den funktionsbeschreibenden Steuerparametern SP, andererseits die Möglichkeit einer wechselseitigen Kommunikation bei Änderungen dieser Steuerparameter SP gegeben ist. Die Konstruktionsmethodik CON wird dabei sowohl von den Steuerparametern SP als auch von bilateralen Outputgrößen BO beeinflusst. Die Hilfsmittel der rechnergestützten Ingenieurarbeit CAE bestehen beispielsweise aus begleitender Berechnung CAC, thermodynamischer Berechnung TDA, Finite Elemente Methode FEA, strömungsdynamischer Berechnung CFD und akustischer Berechnung ACA. Während Simulationswerkzeuge aus dem Bereich CFD (Computational Fluid Dynamics) und FEA (Finite Element Analysis) dabei in hohem Maß direkt die Vorteile von 3D-Geometrien für die Erstellung ihrer Eingabedaten nützen können, erhöht sich die Schwierigkeit bei anderen Tools noch zusätzlich, da die für einige CAE-Berechnungswerkzeuge notwendigen geometriebasierten Daten zum Teil erheblich von der geometrischen Information, die einem Element der Produktstruktur innewohnt, abweichen. Kennzeichen für einige in der Konzeptphase des Entwicklungsprozesses eingesetzte Simulationswerkzeuge ist, dass sie einen sehr hohen Abstraktionsgrad aufweisen. Dies ist zum Teil deshalb der Fall, weil für die Festlegung von grundsätzlichen Gestaltungsmerkmalen oft weniger Information zur Verfügung steht, daher also nicht sehr genau gerechnet werden muss, für eine schnelle Optimierung jedoch kurze Durchlaufzeiten von großer Bedeutung sind. 6 AT 501 214 B1

Ein bekanntes CAE-Werkzeug beispielsweise wird zur Dynamikberechnung von Ventil- und Steuertrieben von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Es findet bereits in den frühesten Konzeptuntersuchungen Verwendung und wird mit zunehmender Reife des Motors mit einer gesteigerten Detaillierung hinsichtlich Modellierung und Daten eingesetzt. Dabei wird mit einer Berechnung des Einzelventiltriebs begonnen und bei zufriedenstellenden Resultaten zur Vollventiltriebsberechnung übergegangen. Danach erfolgt eine weitere Steigerung der Komplexität mit der Ergänzung des Steuertriebs bzw. des Antriebs von Einspritzelementen.

Beispielsweise ist einer der Parameter, der in einem Ventiltrieb von Anfang an die Dynamik mitbeeinflusst, die Schlepphebelsteifigkeit.

Sie kann anfangs mit einfachen Ansätzen geschätzt werden, mit zunehmender konstruktiver Gestaltung soll jedoch eine genaue Ermittlung erfolgen. Bisher mussten dazu entweder Ersatzmodelle verwendet werden oder der Berechner unterzog sich dem mühsamen Prozess, die äquivalente Steifigkeit durch eine FE-Berechnung zu ermitteln. Dabei wurden vielfach sowohl eine unterschiedliche Methodik als auch unterschiedliche Werkzeuge verwendet.

Ziel im angeführten Beispiel ist nun, ein automatisches Mapping der CAD-Modellstruktur bzw. ihrer Daten auf das CAE-Datenmodell vorzunehmen. Der Lösungsweg zeigt, dass neben der Notwendigkeit, Bauteile zuzuordnen und deren Parameter geeignet zu übertragen, auch Methoden ausgewählt und parametriert werden müssen, die für die Ermittlung der benötigten Daten verwendet werden.

Diese Erkenntnis führt schnell auf die Notwendigkeit, vom Ideal einer vollautomatischen Transformation solcher Daten abzusehen. Die diesem am nächsten kommende Lösung liegt darin, einen Weg für eine im Rahmen einer Methodikfestlegung nur einmal zu leistende Definitionstätigkeit zu suchen. Da aus Gründen der Allgemeinheit hier ein Verfahren benötigt wird, bei dem Rechnungen wie z.B. FE-Analysen nicht innerhalb eines CAD-Systems ausgeführt werden, sondern im Sinne einer definierbaren Werkzeugkette außerhalb ablaufen müssen, sind lediglich Parameterdefinitionen und der Aufbau berechnungsspezifischer Modellstrukturen möglich. In Fig. 3 erkennt man neben der Darstellung des Ventiltriebs 10 mit Schlepphebeln 11 für Gaswechselventile 12 auch noch eine Reihe von zusätzlichen Orientierungspunkten ΡΝΤ0, PNT1, PNT4, PNT5, PNT6, PNT12, PNT13, PNT14, PNT15, PNT22, PNT24, PNT25, PNT29, ΑΡΝΤ0, APNT1, APNT2, die dem Ventiltrieb im Rahmen einer Methodikfestlegung assoziativ zugeordnet wurden. Damit bleiben sie auch im Fall der Änderung der Konstruktion erhalten. Diese Tatsache lässt sich hier dazu benutzen, um in einfacherWeise die Schlepphebelsteifigkeit über dem Nockenwinkel zu bestimmen. Mit der Herausführung dieser Orientierungspunkte zusätzlich zur Bauteilgeometrie, z.B. in Form eines Datenfiles im STL-Format (Stereolithographie-Format), gelingt bei Berücksichtigung des richtigen Koordinatensystems die Darstellung wie in Fig. 4 gezeigt. Hier sieht man bereits das automatisch vernetzte Bauteil und die für die Lagerung bzw. Aufbringung der Last notwendigen Orientierungspunkte ΡΝΤ0, PNT2, PNT12, APNT1 für Ort und Richtung. Das Auffinden der passenden Knoten gelingt danach in einfacher Weise.

Verallgemeinert kann gesagt werden, dass es möglich ist, auch komplexe Ableitungen von Daten aus Bauteilen bzw. Baugruppen zu ermitteln. Es entsteht dabei eine Zwischenschicht, die die erforderlichen Methoden zur Verfügung stellt (Fig. 5) und diese hinsichtlich ihrer Parameter verwaltet. Auf diese Weise können sämtliche geometriebasierte Daten des CAE-Datenmodells gewonnen werden, sofern sie über methodische und automatisierbare Ansätze ermittelt wurden.

Eine CAD-Datenaustauschschicht, z.B. im Rahmen eines CAD-Verwaltungssystems, stellt die Informationen in der Schnittstelle CAD/CAE zur Verfügung und verwaltet Zugriff und Kommunikation. Da der Entstehungsprozess iterativ ist, benötigt der Berechner bzw. sein Werkzeug zur schnellen Optimierung der Bauteilgestalt einen direkten Zugriff auf die Konstruktion. Dabei kann er in einfacher Weise, und ohne den Konstrukteur einzubeziehen, Parameterstudien durchfüh- 7 AT 501 214 B1 ren. Diese erfolgen jedoch immer in einem System, welches erlaubt, bei Freigabe durch den Konstrukteur die entstandene Konfiguration zu übernehmen.

Die Aufbaumethodik berücksichtigt die Vorgaben der Metamethodik, verfeinert aber den Detailgehalt hinsichtlich der praktischen Umsetzung so, dass der Geltungsbereich abhängig von den eingesetzten CAD-Werkzeugen ist. Die Aufbaumethodik ermöglicht es, den Aufbau einer Konstruktion durch Beziehungen zwischen geometrischen Grundelementen auf niedriger Ebene und zwischen Bauteilen auf höherer Ebene festzulegen und auch bei Änderung der Parameter dieser Beziehungen einen Konstruktionsablauf zu automatisieren. Diese Vorgangsweise erlaubt den Aufbau einer groben Entwurfskonstruktion, die schrittweise verfeinert werden kann, ohne die Beziehungen zu verletzen.

Die Aufbaumethodik soll dabei folgenden Zielsetzungen gerecht werden: Bündelung des über Jahre aufgebauten know-hows bezüglich 3D-CAD Modellierung Abdeckung der gebräuchlichsten Motorkonfigurationen (Reihenmotor, V-Motor, beliebige , Zylinderzahlen)

Durchgängig einheitliches Schema des Modellaufbaues, um jeden Konstrukteur in die Lage zu versetzen, auch ihm nicht bekannte Modelle nachzubearbeiten

Multi-Modeling Fähigkeit zum arbeitsteiligen Bearbeiten komplexer Bauteile und Baugruppen

Volle Ausschöpfung der parametrischen Möglichkeiten des CAD-Systems mit Fokus auf den Einsatz von standardisierten Strukturen zur Beschleunigung des Modellaufbaues und der Modelländerung, speziell in der Konzeptphase

Klare Definition des Referenzflusses zwischen den einzelnen Motorbauteilen Unabhängigkeit der einzelnen Motorhauptbaugruppen, um die Konstruktionsmethodik auch in Projekten anwenden zu können, in denen nur wenige Bauteile zu konstruieren sind. Weitgehend automatische Erzeugung von: • abgeleiteten Modellen für die Bauteilsimulation • vereinfachten DMU-Modellen (Digital Mockup) für Einbauuntersuchungen • Schnittstellenteilen zur Kontrolle des funktionalen Zusammenspiels der Bauteile

Nachfolgend wird die Aufbaumethodik näher beschrieben.

Der grundsätzliche Aufbau des Gesamtmotors erfolgt über mehrere Hauptbaugruppen (Kurbeltrieb, Kurbelgehäuse, Zylinderkopf, Ventiltrieb, Steuertrieb), von denen jede ein eigenes Hauptskelettteil enthält. Dieses Hauptskelettteil beinhaltet alle Hilfsgeometrien (Achsen, Ebenen usw.), die für die Bauteile der jeweiligen Hauptbaugruppe notwendig sind und dient als oberste Referenz für diese Bauteile.

Die Motorskelettbaugruppe MSBG ist das Schlüsselelement der angewandten Konstruktionsmethodik. In ihr sind alle Hauptskelettteile HSGM, HSMA, HSKG, HSKT, HSZK, HSVT, HSST integriert. Innerhalb der Motorskelettbaugruppe MSBG erfolgt der Austausch der Konstruktionsparameter PS1 bis PS7 zwischen den einzelnen Hauptskelettteilen über Baugruppenbeziehungen. Da auf dieser Baugruppenebene nur parametrische Werte ausgetauscht werden und keine Kopiergeometrien zwischen den einzelnen Hauptskelettteilen erlaubt sind, ist jeder dieser Hauptskelettteile auch alleine existenzfähig. Um Redundanzen zu vermeiden, wird in der Motorskelettbaugruppe MSBG ein Abgleich der Parameterwerte PS1 bis PS7 erzwungen, sodass alle Hauptskelettteile funktional logisch zueinanderpassen. Für folgende Motorhauptbaugruppen sind Hauptskelettteile vorhanden:

1. Gesamtmotor HSGM, HSMA

2. Zylinderkurbelgehäuse HSKG 8 AT 501 214 B1

3. Kurbeltrieb HSKT

4. Zylinderkopf HSZK

5. Ventiltrieb HSVT

6. Steuertrieb HSST

Jedes Hauptskelettteil ist komplett eigenständig aufgebaut und beinhaltet alle für ihn relevanten Bezugsgeometrien in Form von Kurven, Ebenen, Achsen, Punkten, Koordinatensystemen etc.

Von den jeweiligen Bezugsgeometrieelementen werden dann die entsprechenden Konstruktionsparameter abgeleitet und an die anderen Hauptskelettteile übergeben.

Die Bezugsgeometrieelemente werden dann über Kopiergeometrien auf die Unterskelette bzw. Bauteile direkt weitergegeben, um einen klaren „top-down“-Referenzfluss sicherzustellen.

Bei einigen Konstruktionselementen ist über Parametersteuerung alleine keine zufriedenstellende Lösung, die alle gewünschten Variabilitäten enthält, zu verwirklichen. In diesem Fall werden tabellengesteuerte Muster eingesetzt, deren Werte aber wieder über Beziehungen parametergesteuert sind.

In jede Baugruppe ist grundsätzlich das Hauptskelettteil und das relevante Bauteilskelett integriert. Die Kopiergeometrien, erzeugt in den Baugruppen, referenzieren dabei vom Hauptskelettteil auf das Bauteilskelett. Alle weiteren Teile in den Baugruppen referenzieren ausschließlich auf das Bauteilskelett und müssen vom Hauptskelettteil unabhängig sein.

Die Baugruppe selbst besteht aus allen relevanten Teilen wie Gusskernen, Rohteil und Fertigteil sowie Anbauteilen, die zur Baugruppe gehören. Dadurch ist ein gleichzeitiges Konstruieren von mehreren Personen an einer Baugruppe möglich („Multi-Modeling“); die Erhaltung der Übereinstimmung der Schnittstellenbezüge bleibt aber trotzdem gewährleistet.

Von den Fertigteilen und den Baugruppen werden universell anwendbare Zeichnungsansichten und Schnitte generiert, die alle funktional relevanten Informationen beinhalten.

Konventionelle CAD-Systeme haben sich in der Vergangenheit nahezu ausschließlich auf die Erfassung und Verarbeitung gestaltbeschreibender Merkmale mit Hilfe geometrischer Primitive, wie Punkt, Kante, Fläche und Volumen konzentriert. Sogenannte "Features" sind eine demgegenüber erweiterte Klasse von Elementen, die mehr als nur geometrische Informationen tragen: Sie sind Konstruktionselemente, die neben ihrer geometrischen Beschreibung (Formfeatures) auch Informationen über ihr Verhalten in der Konstruktion beinhalten (Semantik). Daraus resultierend lassen sich Entwicklungsergebnisse erfassen, Informationen für spätere Entwicklungsphasen teilautomatisch ableiten und Aspekte aus späteren Phasen möglichst früh in den Entwicklungsprozess einbringen. Dementsprechend dienen Features neben den beschriebenen Parametern der Integration von anderen CAE-Werkzeugen und damit der Straffung rechnerunterstützter Prozessketten.

Solche Features bilden heute standardmäßig lediglich relativ einfache Elemente, wie Normteile, Butzen, Rippen etc. ab. Erste Ansätze zur Erweiterung dieser Methodik auf komplexere Bauteile existieren, Ziel ist letztlich die Erweiterung der Feature-Technologie auf hochkomplexe Bauteile. Hierbei werden für die Gestaltung der Formfeatures nicht nur einfache Parameter, wie Durchmesser, Länge etc., also skalare Größen herangezogen, sondern sogenannte „Kurven“, also höherwertige geometrische Elemente. Dies erlaubt, auch komplexe Körper aufzubauen, ohne nachher topologieändernde Manipulationen vornehmen zu müssen.

Wesentlich im Hinblick auf die Gestaltung und Optimierung der Schnittstelle CAD/CAE ist, dass über diese Features ein erheblicher Teil der Parameter für die nachfolgende Ableitung von CAE-berechnungsspezifischen Datenmodellen generiert werden kann. Darüberhinaus besteht

Claims (6)

1. 9 AT 501 214 B1 die Möglichkeit, die Rückantwort aus der Berechnung, z.B. einen Änderungsvorschlag, erarbeiten zu können, ohne die Konstruktionstätigkeit bis zum Eintreffen der Rückantwort unterbrechen zu müssen. Durch diese Vorgangsweise lässt sich eine Verringerung der gegenseitigen zeitlichen Abhängigkeit von Entwicklungstätigkeiten (Sequenzen) und damit eine kompaktere Pro-5 zessgestaltung erreichen. Patentansprüche: 10 15 20 25 30 1. Verfahren zur Auslegung und Konstruktion von komplexen technischen Produkten, insbesondere von Brennkraftmaschinen, und deren Bauteilen, wobei zur Simulation und Berechnung Hilfsmittel zur rechnergestützten Ingenieurarbeit (CAE) und zur Konstruktion Hilfsmittel zur rechnergestützten Konstruktion (CAD) eingesetzt werden, mit folgenden Schritten: a) Ablegen von entwicklungsspezifischen Informationen in zumindest einer Wissensdatenbank, b) Definieren der Produktanforderungen, wobei die Produkteigenschaften und/oder Anforderungen durch Steuerparameter definiert werden, c) Erstellen einer Produktstruktur mit den Hilfsmitteln der rechnergestützten Konstruktion (CAD), wobei das Produkt innerhalb der Produktstruktur in Hauptbaugruppen unterteilt wird und jeder Hauptbaugruppe ein Hauptskelettteil mit Hilfsgeometrieelementen zugeordnet wird, d) Auswählen einer Modellstruktur aus den Hilfsmitteln der rechnergestützten Ingenieursarbeit (CAE), e) Transformation zumindest eines Teiles der Parameter der Produktstruktur auf die Modellstruktur, f) Simulation und Berechnung zumindest eines Teiles der Modellstruktur des Produktes oder Bauteiles aufgrund der transformierten Parameter der Produktstruktur, g) Rücktransformation der aktualisierten Parameter der Modellstruktur auf die Produktstruktur.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Definition der Produktanforderungen diese in Teilanforderungen unterteilt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilanforderungen funktio nell miteinander abgestimmt werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Teilmodelle zur Erfüllung der Teilanforderungen aus einer vorgegebenen Gruppe von Hilfsmitteln zur rechner- 40 gestützten Ingenieursarbeit (CAE) ausgewählt werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmodelle zu einer digitalen Modellstruktur des Produktes zusammengeführt werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Produktionsschritte eines Bauteiles abgebildet werden. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 50 55