AT8869U1

AT8869U1 - METHOD OF DESIGNING AND CONSTRUCTING COMPLEX TECHNICAL PRODUCTS

Info

Publication number: AT8869U1
Application number: AT0024406U
Authority: AT
Inventors: Helfried Dipl Ing Dr Sorger; Alexander Maier; Thomas Handl
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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, c) Erstellen einer Produktstruktur mit den Hilfsmitteln der rechnergestützten Konstruktion (CAD), 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. Durch das Verfahren kann der Entwicklungs- und Konstruktionsprozess von komplexen technischen Produkten wesentlich vereinfacht und beschleunigt werden.The invention relates to a method for the design and construction of complex technical products, in particular of internal combustion engines, and their components, wherein used for simulation and calculation tools for computer-aided engineering work (CAE) and construction aids for computer-aided design (CAD), with the following steps b) Defining the product requirements, c) Creating a product structure using computer aided design (CAD) tools, d) Selecting a model structure from Computer Aided Engineering (CAE) tools, e) Transformation of at least part of the parameters of the product structure to the model structure, f) simulation and calculation of at least a part of the model structure of the product or component based on the transformed parameters of the product structure, g) back transformation of the aktua lisiert parameters of the model structure on the product structure. The process significantly simplifies and speeds up the development and design process of complex technical products.

Description

2 AT 008 869 U12 AT 008 869 U1

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, sowie eine Programmlogik zur Durch-5 führung des Verfahrens. 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 io 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 Entwickle lungsarbeiten vorsehen, um eine möglichst rasche Markterschließung zu ermöglichen. 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 Qualitätsstan-20 dards erfüllt werden können.The invention relates to a method for the design and construction of complex technical products and their components, in particular of internal combustion engines, being used for simulation calculation tools for computer-aided engineering work and construction tools for computer-aided design, as well as a program logic for-5 leadership of the method. For the manufacturers of motor vehicles, it is an existential task to meet the fast changing market trends with ever shorter model cycles despite increasing cost pressure. Therefore, it is extremely important to achieve an optimum io with regard to the requirements of efficiency and performance as well as the safe observance of legal and / or market constraints for engine development. It is also necessary to meet the requirements of manufacturability and robustness in practical use in order to make the product competitive. These requirements have to be implemented in development projects, which take less and less time to develop, in order to open the market as quickly as possible. For the present invention, the task is to change the development and design process for a complex technical product so that all the above requirements in a given timeframe can be met reliably and in compliance with high quality standards.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lösung dieser Aufgabe in folgenden Schritten gesehen: 25 a) Ablegen von entwicklungsspezifischen Informationen in zumindest einer Wissensdatenbank, b) Definieren der Produktanforderungen, c) Erstellen einer Produktstruktur mit den Hilfsmitteln der rechnergestützten Konstruktion (CAD), d) Auswählen einer Modellstruktur aus den Hilfsmitteln der rechnergestützten Ingenieursarbeit so (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, 35 g) Rücktransformation der aktualisierten Parameter der Modellstruktur auf die Produktstruktur.According to the present invention, the solution to this problem is seen in the following steps: a) storing development-specific information in at least one knowledge database, b) defining the product requirements, c) creating a product structure with the aid of the computer-aided design (CAD), d) selecting e) transformation of at least part of the parameters of the product structure to the model structure, f) simulation and calculation of at least part of the model structure of the product or component based on the transformed parameters of the product structure, 35 g ) Back transformation of the updated parameters of the model structure to the product structure.

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) ver-40 wendeten 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 Rück-45 transformation kann eine Übereinstimmung zwischen Rechen- und Konstruktionsmodellen erreicht werden.At the interface between geometry definition and simulation, the problem arises that the product models designed in a computer-aided design (CAD) system and the model structures used for various CAE calculation tools (CAE = computer aided engineering) must match to allow easy automated exchange of data. However, a simple analysis already shows that the model structure required in the simulation systems does not correlate with the product structure that exists in CAD systems and PDM systems (PDM = Product Data Management). By transforming the parameters from the product structure into the model structure and the reverse transformation, a correspondence between computational and design models can be achieved.

Insbesondere bei hochkomplexen Produkten ist es vorteilhaft, wenn nach Definition der Produktanforderungen diese in Teilanforderungen unterteilt werden, wobei vorzugsweise die Teil-50 anforderungen 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 55 werden. 3 AT 008 869 U1Especially with highly complex products, it is advantageous if, after definition of the product requirements, these are subdivided into sub-requirements, wherein preferably the sub-50 requirements are functionally coordinated with one another. Subsequently, it is envisaged that sub-models for the fulfillment of the sub-requirements from a given group of tools for computer-aided engineering work will be selected. The submodels can be assigned to individual subrequirements. By merging the submodels into a digital model structure, a development model for the entire model can be created. 3 AT 008 869 U1

Um eine parametrierte Steuerung des Produktes, beispielsweise eines gesamten Grundmotors bestehend aus den Hauptbaugruppen Zylinderkurbelgehäuse, Kurbeltrieb, Zylinderkopf, Ventiltrieb und Steuertrieb, vornehmen zu können, ist vorgesehen, dass die Produkteigenschaften und/oder Anforderungen durch Steuerparameter definiert werden. 5In order to be able to carry out a parameterized control of the product, for example an entire basic engine comprising the main assemblies of the cylinder crankcase, crank mechanism, cylinder head, valve drive and timing drive, it is provided that the product properties and / or requirements are defined by control parameters. 5

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 io 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 15 dieser Beziehungen einen Konstruktionsablauf zu automatisieren. Diese Vorgangsweise erlaubt den Aufbau einer groben Entwurfskonstruktion, die schrittweise verfeinert werden kann, ohne die Beziehungen zu verletzen.For comparison and evaluation of equivalent production methods within the process chain, it is particularly advantageous if individual production steps of a component are mapped. Depending on the complexity of the component as well as the manufacturing and machining process, different model strategies can be used. In a further embodiment of the invention, it is provided that the product is subdivided into main assemblies within the product structure and each main assembly is assigned a main skeleton part with auxiliary geometry elements. In this way, it is possible to establish the construction of a construction by relationships between lower-level geometric primitives and higher-level parts and to automate a design flow even when changing the parameters of these relationships. This procedure allows the construction of a rough design that can be refined step by step without violating the relationships.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. 20The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. 20

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 Kommunikations-25 Schema an der Schnittstelle CAD/CAE und Fig. 6 eine Aufbaumethode für einen Gesamtmotor.1 is a flowchart in the overall development process of a product, FIG. 2 is a block diagram of the interface integration simulation design, FIG. 3 is a valve train of an internal combustion engine with calculation-specific landmarks, FIG. 4 is a cross-linked cam follower with landmark information, FIG Communication at the interface CAD / CAE and Fig. 6 shows a construction method for a whole engine.

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 Ent-30 wicklungsphasen anfallen. Die damit zwangsläufig entstehende Datenflut bedingt komplexe Systeme zur Datenhaltung, wie EDM (Engineering Data Management) und PDM (Product Data Management).At the heart of the method and sequence optimization described in detail below is the digital product model, which replaces simple models consisting only of 2D or 3D geometry and, in addition to the geometry, records all data generated during the various development phases. The inevitable flood of data requires complex systems for data management, such as EDM (Engineering Data Management) and PDM (Product Data Management).

Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anhand einer Brennkraftmaschi-35 ne. Das Verfahren ist aber selbstverständlich auch für andere komplexe technische Produkte geeignet.The description of the method according to the invention is based on a Brennkraftmaschi 35 ne. Of course, the method is also suitable for other complex technical products.

Vor dem Hintergrund der aktuellen Erweiterungen der Modellvielfalt von Fahrzeugherstellern und der damit verbundenen Kombination von Ladungswechsel- und Verbrennungstechnologien 40 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-45 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. so Alle Maßnahmen dienen dazu, die notwendige Qualität zu schaffen, um in einem Schritt den hohen Konstruktionsreifegrad zu erzielen, der die Eliminierung einer Motorgeneration ermöglicht.Against the background of the current extensions of the model variety of vehicle manufacturers and the associated combination of gas exchange and combustion technologies 40 with existing and new engine series, the flexibility of newly created processes and methods is of great importance. The determination of the main engine dimensions requires strategic considerations for the displacement graduation and the determination of cylinder numbers and types, which must be mapped in the design methodology. The aim of new design processes is, in addition to the optimization of the design time and increased quality, the adaptability and reproducibility of the boundary conditions. Furthermore, there should be the possibility of direct reuse of concepts for the layout and detail phase, as well as for simultaneous and subsequent processes, thus achieving a streamlining of the overall development process. All these measures serve to create the necessary quality in order to achieve the high degree of construction maturity in one step, which enables the elimination of a generation of engines.

Dementsprechend lassen sich zur Realisierung folgende 3 Schwerpunkte ableiten: 55 4 AT 008 869 U1 • Metamethodik • Aufbaumethodik • Sequenzoptimierung durch Nutzung der Feature-Technologie 5 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 io · Modularisierung und Frontloading • Steuerparameter • Produktionsäquivalenz • Schnittstellenintegration 15 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 20 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-25 lungsprozess vermieden. Basis für diese Objektorientierung sind EDM- und PDM-Systeme, die plattformunabhängig und projektphasenübergreifend nutzbar sein müssen.Accordingly, the following 3 main focuses can be derived: 55 4 AT 008 869 U1 • Meta-methodology • Construction methodology • Sequence optimization through the use of feature technology 5 Meta-methodology is a superordinate approach whose scope of application is independent of the CAD / CAE tools used. The meta-methodology comprises 5 sub-aspects, which complement each other: • Knowledge bases / specification sheets io · Modularization and frontloading • Control parameters • Production equivalency • Interface integration 15 Since the majority of the designs are not created without an example ("new design of the first kind") but through the configuration and / or Combining already known full or partial solutions ("redesign of the second kind"), the construction and implementation of development and knowledge databases is of central importance for the use of already gained experience. On the one hand, the knowledge of individual experienced employees, who are already using the transferability of past and known solutions, should be made accessible; on the other hand, specification sheets are generated which specify the properties of known components as precisely as possible. In this context, the requirements are oriented not only to the product properties but also to the integrated computer-aided process chain. This avoids unwanted iterations in the overall development process. The basis for this object orientation are EDM and PDM systems, which must be platform-independent and usable across project phases.

Die ursprüngliche Möglichkeit der Konstruktionsmethodik, zu Korrekturzwecken Rücksprünge an bestimmte Stellen im zeitlichen Ablauf des Konstruktionsablaufes vorzunehmen, ohne dabei 30 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-35 ring sodann optimal verzahnt werden. In Fig. 1 ist der Entwicklungsgrad E und der Input I über 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. 40The original possibility of the design methodology to make recursions to certain points in the temporal sequence of the construction process for correction purposes, without abandoning the basic order of processing, is replaced by new, partly systematic, partly chaotic approaches on the basis of submodels and digitized product models. The basic prerequisite for this is the modularization of the product into subtasks as well as the description of the relationships between these subtasks. Due to intensive frontloading (Fig. 1), the subtasks in the sense of a concurrent engineering ring can then be optimally interlocked. In Fig. 1, the degree of development E and the input I over the development time t is plotted. Reference numbers 1 to 4 designate the individual development phases concept study, advance development, series development and series protection. The process of so-called frontloading, ie the preference of introducing development-specific information, is indicated by the arrows P. 40

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 Steuer-45 parameter, 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.The development of meaningful submodels for complex engine main components as well as their combination into a digital product model enables a clear control of the component properties according to the technical requirements (for example function, package, manufacturing, assembly, customer service, testability etc.). Control is provided by control parameters derived from the component specifications or specification sheets. The aim is the parametrized control of the entire basic engine, consisting of the main assemblies cylinder crankcase, crank mechanism, cylinder head, valve train and timing gear.

Die Steuerparameter der einzelnen Hauptbaugruppen sind dabei hierarchisch den strategi-50 sehen Überlegungen, wie Hubraumstaffelung, Festlegung von Zylinderzahlen, Bauformen etc. untergeordnet. Durch diesen klaren Referenzfluss wird eine „top-down“-Steuerung ermöglicht und 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 55 dabei die Parameter in Sets zusammengefasst. 5 AT 008 869 U1The control parameters of the individual main modules are hierarchically subordinate to the strategic considerations, such as cylinder graduation, determination of cylinder numbers, designs, etc. This clear reference flow enables "top-down" control and prevents sources of error through circular references. The number of control parameters is deliberately limited so that, on the one hand, the main engine functions and, on the other hand, rapid and reliable changes can be displayed. For better clarity, the parameters are summarized in sets. 5 AT 008 869 U1

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. 5The basis for a continuous process chain is the mapping of the individual production steps of a component, whereby different model strategies are used depending on the complexity of the component as well as the manufacturing and processing process. 5

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 ein-io fache 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 15 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 20 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 25 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 Abstrak-30 tionsgrad 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. 35 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 Vollventil-40 triebsberechnung übergegangen. Danach erfolgt eine weitere Steigerung der Komplexität mit der Ergänzung des Steuertriebs bzw. des Antriebs von Einspritzelementen.At the interface between geometry definition and simulation, the problem arises that the CAD models designed product models and the model structures used for the various CAE calculation tools would have to match to allow an easy automatable exchange of data. However, even a simple analysis shows that the model structure required in the simulation systems does not correlate with the product structure that exists in CAD systems and PDM systems. Accordingly, the integration of the interfaces in the construction methodological approach CON is essential. 2 schematically shows the way in which the model requirements from the various simulation areas of the computer-assisted engineering work CAE are integrated into the CAD model in such a way that on the one hand there is a match between the function-describing control parameters SP and on the other hand the possibility of mutual communication with changes of these control parameters SP is. The design methodology CON is influenced both by the control parameters SP and by the bilateral output variables BO. The tools of the computer-aided engineering work CAE consist for example of 20 accompanying calculation CAC, thermodynamic calculation TDA, finite element method FEA, fluid dynamics calculation CFD and acoustic calculation ACA. While CFD (computational fluid dynamics) and FEA (finite element analysis) simulation tools can greatly benefit directly from the benefits of 3D geometry for creating input data, the difficulty with other tools increases even more For some CAE calculation tools, geometry-based data necessary for some CAE calculation tools may differ significantly from the geometric information inherent in an element of the product structure. A characteristic of some simulation tools used in the concept phase of the development process is that they have a very high degree of abstraction. This is partly the case because often less information is available for the determination of basic design features, so therefore need not be very accurate, but for fast optimization, short lead times are of great importance. 35 A well-known CAE tool, for example, is used to calculate the dynamics of valve and timing drives of internal combustion engines. It is used in the earliest concept studies and is used with increasing engine maturity with increased detailing in terms of modeling and data. This starts with a calculation of the individual valve drive and, with satisfactory results, proceeds to the full valve calculation. This is followed by a further increase in complexity with the addition of the timing drive or the drive of injection elements.

Beispielsweise ist einer der Parameter, der in einem Ventiltrieb von Anfang an die Dynamik mitbeeinflusst, die Schlepphebelsteifigkeit. 45For example, one of the parameters that influences momentum in a valve train right from the start is rocker arm stiffness. 45

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 50 eine unterschiedliche Methodik als auch unterschiedliche Werkzeuge verwendet.It can initially be estimated with simple approaches, but with increasing structural design an accurate determination should be made. Previously, either replacement models had to be used or the calculator underwent the arduous process of determining the equivalent stiffness by an FE calculation. Often, 50 different methods and different tools were used.

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 Me-55 thoden ausgewählt und parametriert werden müssen, die für die Ermittlung der benötigten 6 AT 008 869 U1The goal in the example given is to automatically map the CAD model structure or its data to the CAE data model. The solution shows that in addition to the need to assign components and to transfer their parameters appropriately, it is also necessary to select and parameterize methods which are necessary for determining the required parameters

Daten verwendet werden.Data to be used.

Diese Erkenntnis führt schnell auf die Notwendigkeit, vom Ideal einer vollautomatischen Transformation solcher Daten abzusehen. Die diesem am nächsten kommende Lösung liegt darin, 5 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 io Fig. 3 erkennt man neben der Darstellung des Ventiltriebs 10 mit Schlepphebeln 11 für Gaswechselventile 12 auch noch eine Reihe von zusätzlichen Orientierungspunkten PNTO, PNT1, PNT4, PNT5, PNT6, PNT12, PNT13, PNT14, PNT15, PNT22, PNT24, PNT25, PNT29, APNTO, APNT1, APNT2, die dem Ventiltrieb im Rahmen einer Methodikfestlegung assoziativ zugeordnet wurden. Damit bleiben sie auch im Fall der Änderung der Konstruktion erhalten. Diese 15 Tatsache lässt sich hier dazu benutzen, um in einfacher Weise 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. 20 Aufbringung der Last notwendigen Orientierungspunkte PNTO, PNT2, PNT12, APNT1 für Ort und Richtung. Das Auffinden der passenden Knoten gelingt danach in einfacherWeise.This realization quickly leads to the need to refrain from the ideal of a fully automatic transformation of such data. The closest solution to this is to seek a way to define a definition once in a methodology. Since, for reasons of generality, a method is needed here in which invoices such as e.g. FE analyzes are not performed within a CAD system, but must run outside in the sense of a definable tool chain, only parameter definitions and the structure of calculation-specific model structures are possible. In FIG. 3, in addition to the illustration of the valve drive 10 with follower levers 11 for gas exchange valves 12, a number of additional orientation points PNTO, PNT1, PNT4, PNT5, PNT6, PNT12, PNT13, PNT14, PNT15, PNT22, PNT24, PNT25, PNT29, APNTO, APNT1, APNT2 associatively assigned to the valve train as part of a methodology setting. Thus, they are retained even in the case of changing the construction. This fact can be used here to easily determine the rocker arm stiffness over the cam angle. With the removal of these landmarks in addition to the component geometry, e.g. in the form of a data file in STL format (stereolithography format), the representation succeeds as shown in FIG. 4, taking into account the correct coordinate system. Here you can already see the automatically networked component and the orientation points PNTO, PNT2, PNT12, APNT1 for location and direction required for the mounting and / or application of the load. Finding the right node then succeeds in a simple way.

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 25 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. 30 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-35 ren. Diese erfolgen jedoch immer in einem System, welches erlaubt, bei Freigabe durch den Konstrukteur die entstandene Konfiguration zu übernehmen.In general, it can be said that it is also possible to determine complex derivatives of data from components or assemblies. This creates an intermediate layer which provides the required methods (FIG. 5) and manages them with regard to their parameters. In this way, all geometry-based data of the CAE data model can be obtained, if they were determined by methodical and automatable approaches. 30 A CAD data exchange layer, e.g. as part of a CAD management system, provides the information in the interface CAD / CAE and manages access and communication. Since the development process is iterative, the calculator or his tool for direct optimization of the component shape needs direct access to the design. In doing so, he can perform parameter studies in a simple manner and without involving the designer. However, these always take place in a system which, when released by the designer, allows the resulting configuration to be adopted.

Die Aufbaumethodik berücksichtigt die Vorgaben der Metamethodik, verfeinert aber den Detailgehalt hinsichtlich der praktischen Umsetzung so, dass der Geltungsbereich abhängig von den 40 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 45 die Beziehungen zu verletzen.The construction methodology takes into account the requirements of meta-methodology, but refines the detail content with regard to the practical implementation in such a way that the scope is dependent on the 40 CAD tools used. The building methodology makes it possible to define the construction of a construction through relationships between lower-level geometric primitives and higher-level building elements, and also to automate a design flow as the parameters of these relationships change. This approach allows the construction of a crude design that can be refined step by step without violating the relationships.

Die Aufbaumethodik soll dabei folgenden Zielsetzungen gerecht werden: - Bündelung des über Jahre aufgebauten know-hows bezüglich 3D-CAD Modellierung so - 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 55 AT 008 869 U1 - 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 BauteileThe design methodology is intended to meet the following objectives: - bundling the know-how built up over years with respect to 3D CAD modeling so - covering the most common engine configurations (in-line engine, V-engine, any number of cylinders) - Consistently uniform scheme of the model structure to each designer in to be able to rework even models unknown to him - Multi-Modeling Ability to work on complex components and subassemblies 55 AT 008 869 U1 - Full exploitation of the parametric possibilities of the CAD system with a focus on the use of standardized structures to accelerate model construction and the model change, especially in the concept phase - Clear definition of the reference flux between the individual engine components - Independence of the individual engine master assemblies in order to be able to apply the design methodology in projects in which only a few components have to be designed. - Largely automated generation of: • derived models for component simulation • simplified DMU models (Digital Mockup) for installation investigations • interface parts to control the functional interaction of the components

Nachfolgend wird die Aufbaumethodik näher beschrieben.The construction method is described in more detail below.

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.The basic structure of the entire engine takes place via several main assemblies (crank mechanism, crankcase, cylinder head, valve gear, timing gear), each of which contains its own main skeleton part. This main skeleton part contains all auxiliary geometries (axes, planes, etc.) that are necessary for the components of the respective main assembly and serves as the top reference for these components.

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:The MSBG engine skeleton assembly is the key element of the applied design methodology. All main skeleton parts HSGM, HSMA, HSKG, HSKT, HSZK, HSVT, HSST are integrated in it. Within the engine skeleton assembly MSBG, the replacement of the design parameters PS1 to PS7 between the individual main skeleton parts takes place via assembly relationships. Since only parametric values are exchanged at this assembly level and no copying geometries between the individual main skeleton parts are permitted, each of these main skeleton parts is also viable on its own. In order to avoid redundancies, an adjustment of the parameter values PS1 to PS7 is forced in the motor skeleton assembly MSBG, so that all the main skeleton parts functionally logically match one another. Main skeleton parts are available for the following main engine assemblies:

1. Gesamtmotor HSGM, HSMA1. Total engine HSGM, HSMA

2. Zylinderkurbelgehäuse HSKG2. Cylinder crankcase HSKG

3. Kurbeltrieb HSKT3. Crankshaft HSKT

4. Zylinderkopf HSZK4. Cylinder head HSZK

5. Ventiltrieb HSVT5. Valve train HSVT

6. Steuertrieb HSST6. Control gear HSST

Jedes Hauptskelettteil ist komplett eigenständig aufgebaut und beinhaltet alle für ihn relevanten Bezugsgeometrien in Form von Kurven, Ebenen, Achsen, Punkten, Koordinatensystemen etc.Each main skeleton part is completely self-contained and contains all relevant reference geometries in the form of curves, planes, axes, points, coordinate systems, etc.

Von den jeweiligen Bezugsgeometrieelementen werden dann die entsprechenden Konstruktionsparameter abgeleitet und an die anderen Hauptskelettteile übergeben.From the respective reference geometry elements, the corresponding design parameters are then derived and passed to the other main skeleton parts.

Die Bezugsgeometrieelemente werden dann über Kopiergeometrien auf die Unterskelette bzw. Bauteile direkt weitergegeben, um einen klaren „top-down“-Referenzfluss sicherzustellen.The reference geometry elements are then passed directly to the sub-skeletons via copier geometries to ensure a clear "top-down" reference flow.

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.For some design elements, parameter control alone can not provide a satisfactory solution that contains all the desired variabilities. In this case, table-driven patterns are used, but their values are again parameter-controlled via relationships.

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 ausschließlichIn principle, the main skeleton part and the relevant component skeleton are integrated into each assembly. The copy geometries generated in the assemblies refer to the component skeleton from the main skeleton part. All other parts in the assemblies refer exclusively

Claims

8 AT 008 869 U1 on the component skeleton and must be independent of the main skeleton part. The assembly itself consists of all relevant parts such as cast cores, blank and finished part as well as add-on parts that belong to the assembly. As a result, it is possible to simultaneously construct 5 of several persons on one assembly ("multi-modeling"); the preservation of the consistency of the interface references remains guaranteed. Finished parts and assemblies generate universally applicable drawing views and sections that contain all functionally relevant information. Conventional CAD systems in the past have focused almost exclusively on capturing and processing shape descriptive features using geometric primitives such as point, edge, area, and volume. So-called " Features " In contrast, they are an extended class of elements that carry more than just geometric information: 15 They are design elements that contain not only their geometric description (shape features), but also information about their behavior in the construction (semantics). As a result, development results can be recorded, information for subsequent development phases can be derived semi-automatically and aspects from later phases can be brought into the development process as early as possible. Accordingly, in addition to the 20 parameters described, features serve the integration of other CAE tools and thus the streamlining of computer-aided process chains. By default, such features today only constitute relatively simple elements, such as standard parts, slugs, ribs, etc. First approaches to extend this methodology to more complex components 25 exist, the ultimate goal is the extension of feature technology to highly complex components. Not only simple parameters, such as diameter, length, etc., ie scalar quantities, but also so-called "curves", ie higher-order geometric elements, are used for the design of the form features. This makes it possible to build even complex bodies, without having to make subsequent topology manipulations. It is essential with regard to the design and optimization of the CAD / CAE interface that these features enable a considerable part of the parameters to be generated for the subsequent derivation of CAE calculation-specific data models. In addition, it is possible to extract the response from the calculation, e.g. a modification proposal, without having to interrupt the construction activity until the arrival of the reply. This procedure makes it possible to reduce the mutual time dependence of development activities (sequences) and thus a more compact process design. 40 Claims: 1. Method for designing and constructing complex technical products, in particular internal combustion engines, and components thereof, using computer aided engineering (CAE) tools and computer aided design (CAD) tools for simulation and calculation , comprising the following steps: a) storing development-specific information in at least one knowledge database, b) defining the product requirements, c) creating a product structure with computer-aided design (CAD) tools, d) selecting a model structure from the computer-aided engineering tools ( E) transformation of at least part of the parameters of the product structure to the model structure, f) simulation and calculation of at least part of the model structure of the product or component based on the transformed parameters of the product structure, g) Inverse transformation of the updated parameters of the model structure to the product structure.

2. The method according to claim 1, characterized in that after definition of the product requirements, these are divided into sub-requirements. 3. The method according to claim 2, characterized in that the sub-requirements are functionally coordinated with each other.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that partial models for the fulfillment of the sub-requirements from a predetermined group of tools for computer-aided engineering work (CAE) are selected.

5. The method according to claim 4, characterized in that the submodels are merged into a digital model structure of the product.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the product properties and / or requirements are defined by control parameters.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that individual production steps of a component are imaged. 25

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the product is divided within the product structure in main assemblies and each main assembly is associated with a main skeleton part with auxiliary geometry elements.

9. program logic for carrying out the method according to one of claims 1 to 8. Thereto 3 sheet drawings 35 40 45 50 55