DE10046742A1 - Vorrichtung und Verfahren für ein Fahrzeugentwurfssytem - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren für ein Fahrzeugentwurfssytem

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugsystem, in dem Modellier- und Berechnungsprogramme aus unterschiedlichen Fachgebieten zusammengeführt sind. Sie arbeiten auf einer gemeinsamen Datenbasis. Die Ablaufsteuerung der Programm-Module und der Datenaustausch untereinander sind automatisiert und einfach über eine grafische Benutzeroberfläche steuerbar. Diese Integration der Verfahren auf einer gemeinsamen Datenbasis ermöglicht eine ganzheitliche und interdisziplinäre Arbeitsweise, die den Entwicklungsprozeß in der frühen Phase effektiv unterstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Fahrzeugentwurfssystem nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Unter dem Einfluß zunehmender Globalisierung der Automobilindustrie entwickelt sich bereits heute ein Markt, der von einer großen Vielfalt an Fahrzeugvarianten mit unterschiedlichsten Erwartungen hinsichtlich Nutzen, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Komfort, Fahrspaß und Umweltverträglichkeit geprägt ist.
Diese vielseitigen Zielsetzungen bei der Konzeption eines neuen Fahrzeugs, die zunehmende Individualisierung und der steigende Wettbewerbsdruck, führen zu komplexen Entscheidungsprozessen, in denen versucht wird, die vielen Zielkonflikte im Design aufzulösen.
Diese Entscheidungen müssen sehr früh im Produktentstehungsprozeß getroffen werden, damit eine zielgerichtete und dadurch schnelle Realisierung im Sinne "first to market" gewährleistet werden kann. Ungefähr 80% der später anfallenden Entwicklungskosten werden in dieser Phase festgelegt, wobei das Wissen über das neu zu entwickelnde Fahrzeug auf wenig gesicherten Fakten beruht und umfassende Erkenntnisse erst sehr spät im Entwicklungsprozeß entstehen.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Fahrzeugentwurfsystem (FESY) anzugeben, bei dem das Produktwissen hinsichtlich Gestalt und Funktionseigenschaften in frühen Entscheidungsphasen berechnet und verarbeitet wird. Es soll Konzeptingenieure unterstützen, Fahrzeugideen schneller zu modellieren und die Wirkzusammenhänge zwischen der geometrischen Gestaltung und dem Design der Funktionseigenschaften frühzeitiger zu begreifen.
Die Erfindung ist in Bezug auf die Vorrichtung im Patentanspruch 1 und auf das Verfahren in Patentanspruch 6 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Aus- und/oder Weiterbildungen.
FESY ist ein Entwurfssystem, in dem Modellier- und Berechnungsprogramme aus unterschiedlichen Fachgebieten zusammengeführt sind. Sie arbeiten auf einer gemeinsamen Datenbasis. Die Ablaufsteuerung der Programmmodule und der Datenaustausch untereinander sind automatisiert und einfach über die grafische Benutzeroberfläche steuerbar. Diese Integration der Verfahren auf einer gemeinsamen Datenbasis ermöglicht eine ganzheitliche und interdisziplinäre Arbeitsweise, die den Entwicklungsprozeß in der frühen Phase effektiv unterstützt.
FESY beinhaltet eine neuartiges Verfahren zur Modellierung von 3D- Fahrzeugrohbauten. Das Modell ist parametrisiert, d. h. die Gesamtheit der Geometrieelemente (Punkte, Kurven, Flächen) lassen sich über Parameter, wie z. B. Fahrzeuglänge, -höhe, -breite, Scheibenneigungswinkel etc. und Einflußpunkte schnell verändern.
In einer Konfigurationsdatenbasis sind weitere Fahrzeugkomponenten, wie Antriebe, Achsen, Sitze etc. abgelegt, die für eine Gesamtfahrzeugdarstellung (Fahrzeugpackage) ausgewählt werden.
Über die integrierten Simulationsprogramme werden die Funktionseigenschaften, wie das Fahrzeuggewicht, die aerodynamischen Beiwerte, die Fahrleistung, der Verbrauch, das Fahrverhalten (Fahrdynamik) und die Steifigkeit der Fahrzeugstruktur errechnet.
Am Ende eines Entwurfsprozesses werden die generierten Konzeptvarianten im Auswertemodul von FESY untereinander oder mit Wettbewerberfahrzeugen verglichen.
Die interdisziplinäre Vernetzung der Modelle ermöglicht die Erhöhung des Reifegrads des "virtuellen Produkt" zum frühen Zeitpunkt durch die ganzheitliche Sicht auf das neue Fahrzeugkonzept.
Routinearbeiten, wie Datenkonvertierungen, Abgleich von Datensätze, Kodieren von Lastfällen, Parameterstudien, Variantenvergleiche werden auf den Rechner verlagert, um im Alltag wieder mehr Freiraum für kreatives Handeln zu gewinnen.
Kostenvorteile durch den Einsatz von FESY entstehen, indem frühzeitig Problemstellen identifiziert und vermieden werden können.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Folgende Programmpakete sind in FESY integriert:
  • - Die Verwaltung und Darstellung von Geometrieelementen (Punkte, Kurven, Flächen) sowie der "parametrischen Grundelemente" (Einflußpunkte) zur Rohbaumodellierung erfolgt in SFE/CONCEPT.
  • - Die Steuerung der Einflußpunkte in SFE/CONCEPT und der "parametrischen Grundelemente" erfolgt über das angekoppelte Programm NEOGEO, mit dem die gesamte Rohbaugeometrie durch übergeordnete Bauteilgruppen und Fahrzeugparameter parametrisch manipuliert wird.
  • - Die Visualisierung einer Fahrzeugkonfiguration (Gesamtfahrzeugpackage) sowie der Überprüfung von Bauteilabständen/-kollisionen erfolgt im CAD-System CATIA mit Standardfunktionalität. Positionsänderungen von Bauteilen und der resultierende Verschiebungstensor wird über ein selbstentwickeltes Programm auf Basis der IUA- Datenschnittstelle von CATIA (IUA = Interactive User Access) an das Gewichtsprogramm übergeben.
  • - Die Netzgenerierung erfolgt automatisch im Hintergrund der FE Netzmodifikation in MEDINA.
  • - Die Steifigkeitsberechnung erfolgt automatisch über die Auswahl von definierten Standardlastfällen.
  • - Das Fahrzeuggewicht, die Schwerpunktlage, die Achslastverteilung und die Massenträgheiten werden über Korrelationsbeziehungen abgeschätzt und durch Einzelgewichte der Fahrzeugkomponenten aus der Konfigurationsbasis und deren Positionen im Fahrzeugpackage ergänzt.
  • - Die Bestimmung der aerodynamischen Beiwerte erfolgt über Korrelationen zwischen der aktuellen generierten Geometrie und mit im Windkanal vermessenen Fahrzeugen, die in der Datenbasis von ACC abgelegt sind. Mit dem Fahrdynamikprogramm werden Standardlastfälle z. B. stationäre Kreisfahrt, Lenkwinkelsprung und Vorbeifahrt an der Windschleuse berechnet.
  • - Bei der Fahrleistungsrechnung werden die Geschwindigkeit/die Beschleunigung/­ die Steigfähigkeit des Fahrzeugs sowie der Verbrauch bei vordefinierten Fahrzyklen (NEFZ, USA-Highway, JAPAN Dauerlauf, . . .) bestimmt.
Im Auswertemodul von FESY können die erzeugten Datensätze über Tabellen, Balken- und Kurvendiagramme dargestellt werden. Über weitere Funktionen werden die erstellten Fahrzeugkonzepte auch mit Wettbewerberfahrzeugen verglichen.
Die Verfahrenschritte von FESY sind wie folgt:
Schritt 1
Über das Startfenster stehen dem Anwender verschiedene Funktionsmenüs ("Buttons") zur Verfügung, wobei nach dem Start von FESY nur der Button "Dateiauswahl" aktiviert ist. Über diesen Knopf wird ein Fenster geöffnet, in dem neben diversen Verwaltungsfunktionen eine Projekt- und eine Variantenstruktur für die Zusammenstellung eines Fahrzeugdatensatzes angelegt wird.
Schritt 2
Nachdem die Struktur für die Erstellung eines neuen Fahrzeugkonzepts angelegt wurde, wird ein weiterer Button "Konfiguration" aktiviert, der die Konfiguration eines ersten Grundfahrzeugs ermöglicht. Bauteile wie Rohbaukarosserie, Antrieb, Achsen, Sitze etc. können aus einer umfangreichen Liste ausgewählt werden, deren Daten in der Konfigurationsdatenbasis abgelegt sind.
Die Konfiguration eines ersten Grundfahrzeugs ist die Ausgangsbasis für die weiterführenden Konzeptarbeiten. Nach der Konfiguration, ist der Button "CAD" aktiviert, über den der konfigurierte Datensatz an die Geometriemodule CATIA und SFE/CONCEPT übergeben wird.
Schritt 3
CATIA wird direkt aus FESY heraus gestartet und dient im FESY-Verbund zur Visualisierung und Überprüfung des Gesamtfahrzeugs mit allen Komponenten (Gesamtfahrzeugpackage). Auf diese Weise ist eine direkte Datenkopplung gewährleistet, so daß Modifikationen in CATIA, wie z. B. die Verschiebung von Bauteilen für eine verbessertes Packaging, direkt nach FESY zurückgespeichert werden kann. (Die veränderten Bauteillagen haben einen direkten Einfluß auf die Massenverteilung, -trägheiten und die Schwerpunktslage.)
Analog wird der Programmmodul SFE/CONCEPT direkt aus FESY heraus gestartet, um Änderungen am Rohbau durchzuführen.
Über das Modul NEOGEO, dessen Parameterfunktionalität in die Oberfläche von SFE/CONCEPT integriert ist, kann nun das geladene Rohbaumodell parametrisch variiert werden.
Das Rohbaumodell besteht aus Punkten, profilierten Balken, Strukturknoten (Verbindungsstellen von Balken) und Blechfeldern. Die Parametrik erlaubt es den Rohbau an über 300 Einflußpunkten beliebig zu verändern. Dabei entsteht immer ein konsistentes, geschlossenes Geometrieflächenmodell, da die Geometrielemente nicht explizit vom Konstrukteur, sondern implizit vom System berechnet werden und dabei keine fehlerhaften Elementübergängen (Lücken/Spalte) produziert werden.
Auf dem so erzeugten Rohbaumodell werden in SFE/CONCEPT Rechennetze für z. B. die Strukturanalyse vollständig automatisch - über die Flächenelementgrenzen hinweg - generiert, was einen enormen Zeitvorteil ergibt. Was vorher Tage dauerte, wird jetzt in Minuten erstellt.
Das veränderte Modell wird in die FESY-Datenbasis zurückgespeichert und kann dann wieder in CATIA im Gesamtfahrzeugverbund dargestellt werden.
Schritt 4
Nach der Gesamtfahrzeugkonfiguration stehen die ersten Berechnungsprogramme mit den Buttons "Gewicht", "Steifigkeit" and "Aerodynamik" zur Verfügung. Alle weiteren Berechnungsprogramme sind noch nicht aktiviert, da für diese Berechnungen noch Eingabedaten fehlen.
Die Berechnungen werden bei allen Simulationsprogrammen über unterschiedliche Anwendermodi STANDARD, MODIFY und EXPERT durchgeführt. Die Modi steuern unterschiedliche Anwenderansichten auf die Daten der Programmmodule:
STANDARD: Der Benutzer kann im jeweiligen Programmmodul keine Eingabedaten vorgeben. Das Modul bezieht alle Daten aus der Konfiguration und über das interne Austauschdatenmodell von FESY.
MODIFY: Der Benutzer kann eine vorgegebene Teilmenge aller Daten manipulieren, um z. B. Tendenz- und Grenzwertbetrachtungen durchzuführen. Die Konsistenz des gesamten Datensatzes wird dadurch bewußt gestört. Die Konsistenz der Datensätze der verschiedenen Funktionsmenües wird über ein "grünes Flag" am jeweiligen Funktionsbutton auf der Benutzeroberfläche gekennzeichnet. Inkonsistente Daten eines Buttons werden mit einem "gelben Flag" dargestellt.
EXPERT: Der Benutzer kann im jeweiligen Programmmodul alle Eingabedaten manipulieren, d. h. die automatisch erzeugten Daten durch die vorangegangenen Prozeßschritte und die gesetzten Standardeinstellungen ersetzen. Gute Kenntnisse des Simulationsprogramms sind vorausgesetzt. Die Inkonsistenzen werden dem Benutzer mit einem "Roten Flag" am jeweiligen Button dargestellt.
Schritt 5
Ist das Gewicht abgeschätzt und sind die aerodynamischen Beiwerte bestimmt, werden die weiteren Berechnungsprogramme "Fahrleistung/Verbrauch" und "Fahrdynamik" aktiviert.
Die Auswahl von Standardlastfällen durch den Benutzer steuert automatisch die Berechnungsvorbereitung (Pre-Processing) und die Durchführung der Berechnung.
Um weiteren Konzeptingenieuren und Berechnungsexperten den bisher erstellten. Datensatz zugänglich machen zu können, steht eine Funktion "Clipboard (Zwischenablage)" zur Verfügung, die den Datensatz in ein Verzeichnis des Rechennetzes kopiert, auf den der gewünschte Personenkreis Zugriff hat.
Die mit FESY erzeugten Daten können über die Standardschnittstellen VDA, Step oder BIF/BOF (DC-Intern) in den vorhandenen Programmen weiter verarbeitet werden oder im Ergonomielabor oder im Fahrsimulator erlebt werden.
Eine Report-Funktion erstellt automatisch einen technischen Bericht mit einem Standardtext und den aktuellen Eingabe- und Ergebnisdaten.
Sind Bauteile in der Konfigurationsdatenbasis nicht verfügbar, können diese über den Button "Daten einchecken" im Startfenster nach FESY importiert werden.

Claims (14)

1. Entwurfssystem, insbesondere für ein Fahrzeug, in dem die Module von Modellier- und Berechnungsprogrammen aus unterschiedlichen Fachgebieten zusammengeführt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Module der Modellier- und Berechnungsprogramme auf einer gemeinsamen Datenbasis arbeiten,
daß eine Steuereinheit die Programm-Module und den Datenaustausch über eine graphische Benutzeroberfläche automatisch steuert, derart, daß durch den ganzheitlichen und interdisziplinären Arbeitsablauf des Entwurfsystems Konzeptvarianten erarbeitet werden, und
daß eine Auswerteeinheit die erarbeiteten Konzeptvarianten untereinander oder mit Drittvarianten vergleicht.
2. Entwurfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmmodule eine Geometriemodellierung und eine Funktions- oder Simulationsmodellierung durchführen.
3. Entwurfsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul für die Geometriemodellierung ein Konzept des Gesamtfahrzeugs, eine parametrische Rohbaumodellierung, eine Visualisierung und/oder Überprüfung der Fahrzeugkonzeptvariante und eine Überprüfung von Gesetzen und Vorschriftens durchführt.
4. Entwurfsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul für die Funktions- oder Simulationsmodellierung eine Netzgenerierung für Strukturanalysen, eine Steifigkeitsberechnung, Fahrzeuggewichtabschätzung, eine Bestimmung der aerodynamischen Beiwerte, eine Bestimmung der Fahrdynamik bei verschiedenen Standardmanövern und eine Fahrleistungs- und Verbrauchsberechnung bei Fahrzyklen durchführt.
5. Entwurfsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit die erzeugten Datensätze mittels Tabellen, Balken- und Kurvendiagrammen darstellt.
6. Verfahren für ein Entwurfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß über ein Startfenster verschiedene Funktionsmenüs aufgerufen werden, derart, daß zu Beginn des Programmablaufs eine Projekt- und Variantenstruktur für die Erstellung eines ersten Fahrzeugdatensatzes angelegt wird,
daß mit dem ersten Fahrzeugdatensatz ein Grundfahrzeug mittels Bauteilen konfiguriert wird, die aus einer bestehenden Liste ausgewählt werden, deren Daten in einer Konfigurationsdatenbasis abgelegt sind,
daß der Datensatz für das Grundfahrzeug an die Geometriemodule übergeben wird, die eine Visualisierung und Überprüfung des Gesamtfahrzeugs mit allen Komponenten durchführt,
daß Änderungen der Geometrie und der Funktionalität der Bauteile parametrisch variiert und direkt in dem Entwurfsystem gespeichert werden,
daß die Gesamtfahrzeugkonfiguration mittels der Berechnungsprogramme verschiedenen Simmulationen unterzogen wird, die das Gewicht des Fahrzeugs, die aerodynamischen Beiwerte, die Fahrleistung und den Verbrauch, sowie die Fahrdynamik schätzen und mittels Standardlastfällen bestimmen, und
daß die mit dem Entwurfsystem erzeugten Daten in vorhandenen Programmen weiterverarbeitet werden oder im Ergonomielabor oder im Fahrsimulator erlebt werden.
7. Verfahren für ein Entwurfssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Berechnungen bei allen Simulationsprogrammen über unterschiedliche Anwendermodi STANDARD, MODIFY und EXPERT durchgeführt werden, und
daß über die Modi unterschiedliche Anwenderansichten auf die Daten der Programmmodule gesteuert werden.
8. Verfahren für ein Entwurfssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der STANDARD Anwendung der Benutzer im jeweiligen Programmmodul keine Eingabedaten vorgeben kann und alle Daten aus der Konfiguration und über das interne Austauschdatenmodell von FESY bezogen werden.
9. Verfahren für ein Entwurfssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der MODIFY Anwendung vom Benutzer eine vorgegebene Teilmenge aller Daten manipuliert wird und die Konsistenz des gesamten Datensatzes gestört wird.
10. Verfahren für ein Entwurfssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der EXPERT Anwendung vom Benutzer im jeweiligen Programmmodul alle Eingabedaten manipuliert werden.
11. Verfahren für ein Entwurfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Funktion Konzeptingenieuren und Berechnungsexperten der bisher erstellte Datensatz zugänglich gemacht wird, die den Datensatz in ein Verzeichnis des Rechennetzes kopiert, auf den der gewünschte Personenkreis Zugriff hat.
12. Verfahren für ein Entwurfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit FESY erzeugten Daten über die Standardschnittstellen VDA, Step oder BIF/BOF (DC-Intern) in den vorhandenen Programmen weiter verarbeitet werden oder im Ergonomielabor oder im Fahrsimulator erlebt werden.
13. Verfahren für ein Entwurfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Report-Funktion automatisch ein technischer Bericht mit einem Standardtext und den aktuellen Eingabe- und Ergebnisdaten erstellt wird.
14. Verfahren für ein Entwurfssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Bauteile, die in der Konfigurationsdatenbasis nicht verfügbar sind, diese über den Button "Daten einchecken" im Startfenster nach FESY importiert werden.
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