WO2003056471A2 - Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen Download PDF

Info

Publication number
WO2003056471A2
WO2003056471A2 PCT/EP2003/000036 EP0300036W WO03056471A2 WO 2003056471 A2 WO2003056471 A2 WO 2003056471A2 EP 0300036 W EP0300036 W EP 0300036W WO 03056471 A2 WO03056471 A2 WO 03056471A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
calculation element
convection
heat transport
temperature
body surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2003/000036
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003056471A3 (de
Inventor
Cord Steinbeck-Behrens
Clemens Groth
Original Assignee
Cad-Fem Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cad-Fem Gmbh filed Critical Cad-Fem Gmbh
Priority to EP03706348A priority Critical patent/EP1461733A2/de
Priority to AU2003208318A priority patent/AU2003208318A1/en
Publication of WO2003056471A2 publication Critical patent/WO2003056471A2/de
Publication of WO2003056471A3 publication Critical patent/WO2003056471A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for simulating heat transfer processes.
  • the body surfaces are treated with the aid of methods which comprise several steps.
  • the body is cleaned thoroughly. Then the body is e.g. immersed in a bath, e.g. a dye bath, where e.g. a (first) coating or (first) coating is applied to the body by means of a cathodic deposition process.
  • a bath e.g. a dye bath
  • a (first) coating or (first) coating is applied to the body by means of a cathodic deposition process.
  • the applied coating or coating is then cured or dried in an oven
  • a (further) lacquer layer e.g. a layer of colored paint, applied to the body, which is cured or dried in another oven, etc.
  • the ovens are e.g. Nozzles, black emitters, etc. are provided, which ensure that the body heats up relatively quickly to the temperature required for curing or drying. This can e.g. in a predefined temperature range, e.g. between 165 ° C and 195 ° C approx. 180 ° C ( ⁇ 15 ° C).
  • this temperature In order to ensure proper curing or drying, this temperature must be maintained for a predetermined period of time, for example 15 minutes (curing or drying time). There may be a loss in quality of the applied coating or coating if, for example, during the above-mentioned curing or drying period, which lasts approx. 15 minutes, the temperature falls below the lower limit of the above-mentioned temperature range for a certain period of time (the body temperature, for example, for 10 minutes) is only 160 ° C), or, for example, the upper limit of the above-mentioned temperature range is exceeded for a certain time (the body temperature is 200 ° C for 5 minutes), or the temperature goes to high values too quickly.
  • the body temperature for example, for 10 minutes
  • the body temperature is 200 ° C for 5 minutes
  • the warm-up phase is particularly critical.
  • the temperature of the circulating air here should be as high as possible so that the body can heat up as quickly as possible, thereby shortening the manufacturing time and reducing the manufacturing costs.
  • an excessively high temperature of the circulating air can cause - even before e.g. the body surfaces less exposed to the circulating air - the above Reach curing or drying temperature (or at least the lower limit of the curing or drying temperature range), the temperature of body areas which are relatively strongly exposed to the circulated air, e.g. the outer surface of the body rises too much (e.g. the temperature of which exceeds the upper limit of the curing or drying temperature range).
  • the temperature distribution in a body is uneven.
  • the invention has for its object to provide a novel device and a novel method for simulating heat transfer processes.
  • a method for simulating heat transfer processes wherein a body is subdivided into several calculation elements, and from the position of a first calculation element with respect to at least one further calculation element, at least one thermal boundary condition assigned to the first calculation element -Parameter is determined, and the effect of heat transport caused by heat ---- or by forced convection with respect to the first calculation element is estimated by using the thermal boundary condition parameter at least one usually for calculation of convection parameters used by free convection, based on a functional, in particular linear relationship between temperature and heat transfer, are adapted accordingly.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section of a production line in which vehicle bodies are cleaned, coated or lac-riei-t- and dried in several stages;
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an oven provided in the curing or drying stage shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of body surface elements used for the simulation
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of body surface elements used for the simulation, and an oven nozzle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a section of a production line 1, in which vehicle bodies 2a, 2b, 2c are cleaned, coated or painted, and dried in several stages 3a, 3b, 3c.
  • the vehicle bodies 2a, 2b, 2c all have essentially the same shape and are - as illustrated here by corresponding arrows - e.g. With the help of a conveyor belt, it is first conveyed fully automatically to the first processing stage 3a, from there to the second processing stage 3b, and then to the third processing stage 3c, etc.
  • the first processing stage 3a has e.g. a tub, which is filled with a cleaning liquid, in which the vehicle bodies 2a, 2b, 2c are successively immersed for cleaning.
  • the (re -----) processing stage 3a can have several sub-stages, i.e. The vehicle bodies 2a, 2b, 2c can be cleaned one after the other in several stages (e.g. immersed in different trays one after the other, each containing e.g. corresponding cleaning fluids).
  • the surface of the respective vehicle body 2a, 2b, 2c (cleaned in the first processing stage 3a) is subjected to a corresponding processing, e.g. the corresponding vehicle body 2a, 2b, 2c is immersed in a (paint) bath, in particular in a bath in which a paint layer or any other coating is applied to the surface by means of a cathodic deposition process (for example an electro deposition coating process) the vehicle body 2a, 2b, 2c is applied.
  • a corresponding processing e.g. the corresponding vehicle body 2a, 2b, 2c is immersed in a (paint) bath, in particular in a bath in which a paint layer or any other coating is applied to the surface by means of a cathodic deposition process (for example an electro deposition coating process) the vehicle body 2a, 2b, 2c is applied.
  • any other surface treatment processes can also be carried out, e.g. corresponding paints are sprayed onto the vehicle body 2a, 2
  • the (surface) processing stage 3b can have several sub-stages, i.e.
  • the surfaces of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c can be processed one after the other in several stages (e.g. one after the other in different (color) baths).
  • the previously applied (initially still liquid or powdery) coating or (lacquer) layer is cured in an oven 4 or dried
  • the (curing or drying) processing stage 3c can have several sub-stages, ie the surfaces of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c can be dried or cured successively in several stages (for example, several ovens connected in series can be added).
  • drying can also take on tasks from other processes or assembly processes, such as hardening or gelling of glued seams, expanding or just not expanding so-called expanded moldings, hardening with the so-called bake hardening effect
  • the corresponding vehicle body 2a, 2b, 2c can be fed to any further processing stage, not shown here, e.g. a further cleaning and / or surface processing stage, etc.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration, simplified for reasons of connection, of the oven 4 provided in the curing or drying stage shown in FIG. 1
  • the furnace 4 is essentially tubular and can be equipped with: several active, i.e. heated jet surfaces 6a, 6b, 6c on its inner wall 17, as well as several nozzles 5a, 5b, 5c, several (passive, not heated) black jet surfaces 7a, Tb, 7c.
  • Sections of the jet surfaces 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c or nozzles 5a, 5b, 5c, which are hidden by the outer walls of the furnace 4, are shown here in dashed lines (note: all unheated walls of the furnace have a corresponding effect, such as the black jet -Rays 7a, 7b, 7c, and are taken into account in the simulation explained below in a corresponding manner, as explained here for the black-ray surfaces 7a, 7b, 7c).
  • the construction of the furnace 4 shown here as a tube is a common furnace design.
  • Such an oven is e.g. referred to as a continuous dryer
  • any other oven can be used instead of a continuous dryer, e.g. Station dryer.
  • Station dryer the body is fixed in one place or performs alternating movements within the closed furnace.
  • station dryers are equipped with the same means as specified for the oven 4 described here.
  • the heat radiation emitted by the active radiation surfaces 6a, 6b, 6c also achieves direct heating of the respective vehicle body 2a, 2b 2c based on radiation absorption.
  • the nozzles 5a, 5b, 5c set the air in the furnace in motion and thereby increase the heat input into the vehicle body 5a, 5b, 5c by convection.
  • the nozzles 5a, 5b, 5c each generate an air flow directed in the direction of the furnace interior. This ensures that there is an overall increase in heat transport based on convection or heat flow (in addition to a flow caused by temperature and thus density differences in the air (free convection)). If the air movement is dominated by the air blown in with nozzles 5a, 5b, 5c, one can assume forced convection. The higher the air speed, the greater the heat exchange with the air by convection.
  • All beam surfaces 6a, 6b, 6c and 7a, 7b, 7c radiate according to the law of Stefan and Boltzmann and emit radiation energy. This results in a heat input into the body.
  • the size of this heat input based on the area (heat flow density) is calculated from the difference between the 4th power of the temperatures of the respective radiation partners (see below, formula (1)).
  • the heat flow dQ / dt which is conceived by means of convection, e.g. between the air surrounding the respective vehicle body 2a, 2b, 2c, and the corresponding vehicle body 2a, 2b, 2c bel --- are calculated as below:
  • Dabd is A ⁇ the size of the respective body surface (or the size of the surface under consideration of the respective finite body surface element or the respective “temperature cell” (see below)), T ⁇ the temperature of the body surface or the respective finite Body surface element, Tu the ambient temperature, and ⁇ the applicable heat transfer number
  • the vehicle bodies 2a, 2b, 2c are conveyed by means of a conveyor 10, e.g.
  • a conveyor belt is fed into the furnace 4 and, according to the conveyor belt speed, is transported through the furnace 4 at a feed speed v.
  • the feed speed v of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c through the furnace 4 is controlled by a control device 11 set ⁇ e.g. a computer 12, on the Spdchere ---- direction 13 a corresponding control software Treprog ⁇ ------- m is stored
  • the control device 11 controls in addition to the feed speed v (ie its height and, if applicable, its gentle course) - and thus the dwell time of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c in the oven 4 or the duration of the hardening - or drying period - alternatively, among other things the following parameters of the drying or hardening process: heating of the active jet surfaces 6a, 6b, 6c (and thus - indirectly - the height and gentle course of the steel surface temperature Tg), and / or the strength of the nozzle 5a , 5b, 5c generated airflow, etc.
  • the control device 11 is for controlling the heating of the radiant surfaces 6a, 6b, 6c, ie more precisely: for controlling heating elements assigned to the active radiant surfaces 6a, 6b, 6c Connected to the respective heating elements via corresponding control solutions 14 or alternatively a control data bus, so that the air flow flowing through corresponding heating wires of the heating elements, the air temperature or the dielectric current - and thus the temperature of the jet surfaces 6a, 6b, 6c - can be set ,
  • the control device 11 is connected to the corresponding wires by means of further control devices 15 (or the above-mentioned control data bus) with corresponding drive elements, e.g. Electric motors of the conveyor 10 connected so that the current flowing through the electric motors, and thereby their speed, can be adjusted (and thus - indirectly - the feed speed v of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c in the furnace 4).
  • drive elements e.g. Electric motors of the conveyor 10 connected so that the current flowing through the electric motors, and thereby their speed, can be adjusted (and thus - indirectly - the feed speed v of the vehicle bodies 2a, 2b, 2c in the furnace 4).
  • control device 11 can additionally e.g. be connected to the nozzles 5a, 5b, 5c by means of corresponding further control devices 16 (or e.g. the above-mentioned control data bus), so that the strength of the air flow generated by the nozzles 5a, 5b, 5c can be adjusted, etc.
  • the respective vehicle body 2a, 2b, 2c is to be heated relatively quickly to the temperature required for curing or drying.
  • This can e.g. in a predetermined temperature range, e.g. are between 165 ° C and 195 ° C, i.e. approx. 180 ° C ( ⁇ 15 ° C).
  • this temperature In order to ensure proper curing or drying, this temperature must be maintained for a predetermined time, e.g. Maintained for 15 minutes (curing or drying time).
  • the respective vehicle body 2a, 2b, 2c or a section thereof during the above e.g. curing or drying period lasting approx. 15 minutes e.g. for a certain period the lower limit of the above Temperature range undershot (the temperature of the corresponding body section is e.g. only 160 ° C for 10 minutes), or e.g. for a certain time the upper limit of the above Temperature range exceeded (the temperature of the corresponding body section is e.g. 200 ° C for 5 minutes).
  • the warm-up phase is particularly critical.
  • the temperature of the circulating air should be as high as possible here, so that the respective vehicle body 2a, 2b, 2c can heat up as quickly as possible, which shortens the manufacturing time and the manufacturing costs be reduced.
  • an excessively high temperature of the circulating air can lead to the above-mentioned curing or drying temperature (or at least the lower limit) even before the body surfaces, for example, which are less exposed to the circulating air (or e.g.
  • the temperature of body surfaces that are relatively strongly exposed to the cited air for example the exterior surfaces of the body, increases too much (for example, the temperature of which exceeds the upper limit of the curing or drying temperature range).
  • the simulation it is, for example, "to clarify in advance” whether a particular vehicle body 2a, 2b, 2c can be carried out with the furnace 4, for example, in terms of quality and production time or production costs, an acceptable removal or drying process (Alternatively or additionally, the simulation can be used, for example, to set the process parameters of the furnace 4 in advance in such a way that an optimal result with regard to quality and production time or production costs is considered.)
  • preliminary clarification it is meant that a new vehicle body is not physically, but only as a corresponding calculation model
  • the determined process parameters or data representing the determined process parameters are then transferred from the simulation software program to the control software program transfer (- alternatively, the function of the simulation and the control software program can also be performed by one and the same software program, for example -), so that the control device 11 (or the control software program) is then available in real terms for the curing and drying Vehicle bodies 2a, 2b, 2c in the furnace 4 control the feed speed v, the heating of the active beam surfaces 6a, 6b, 6c, etc. accordingly
  • a finite element mode 1 of the respective vehicle body 2a, 2b, 2c is used to simulate the curing or drying process.
  • a to calculate or simulate other variables, for example the mechanical stress on the vehicle body 2a, 2b, 2c) are used, which is read into the memory device 13.
  • the mechanical simulation computer network is then adapted in such a way that - as here - it can be used to simulate the thermal stress on the respective vehicle body 2a, 2b, 2c using a finite element method.
  • the vehicle body surfaces are each divided into a plurality of between several, e.g. drd or four reference points - nodes - spanned, adjacent (eg flat) reference surfaces - finite body surface elements 21, 22, 23 or "temperature cells” - divided
  • the temperature at the nodes is the result of the finite element calculation R-md conditions (convection, heat flow due to radiation) are determined on the upper and lower surface from the reference surfaces. For this purpose, an average temperature is assumed for each reference surface or “temperature cell”.
  • the oven 12 is used in the computer 12 together with the above-mentioned finite element model of the respective vehicle body 2a, 2b, 2c with the aid of certain parameters the location of a particular body surface element 21, 22, 23 in relation to other body surface elements, and in relation to certain Components of the furnace 4 ((nozzles 5a, 5b, 5c, active jet surfaces 6a, 6b, 6c, other surfaces 7a, 7b, 7c, etc.) determined and stored.
  • the corresponding values therefore lie for each body surface element 21, 22, 23 and assignments.
  • oven parameters are also used for air temperature in oven 4 (depending on the position in the oven if necessary (which means that constant temperature conditions are assumed for continuous dryers, for example) and / or - bd simulation of the oven heating process or bd station drying - depending on the Zdt), Temperature of the inner wall 17 of the furnace (or temperature of the heated steel surfaces 6a, 6b, 6c, the black jet surfaces 7a, 7b, 7c, and the rest of the inner wall, that is to say depending on the location and / or - bd simulation of the furnace heating process - depending on the Zdt), as well as the above Heat transfer coefficient ⁇ (possibly depending on the position in the furnace
  • the simulation or calculation of the thermal stress of the respective vehicle body 2a, 2b, 2c is, as will be explained in more detail below, based on the shape of the vehicle body 2a, 2b, 2c or the position of the respective finite body surface.
  • Elements related to other body surface elements, and in relation to components of the furnace 4 (nozzles 5a, 5b, 5c, active jet surfaces 6a, 6b, 6c, etc.) - thermal boundary conditions restrict the flow field of air around the vehicle body 2a, 2b, 2c is not simulated and, if necessary, is taken into account by specifying heat transfer figures for convection.
  • the heat input by radiation into the vehicle body is approximated by a special automated adaptation of the convection values.
  • the markings used in this marking are those that occur when a sheet is heated. It should also be noted that the simulation also records the cooling and thus the heat emitted from the body. It can happen that some areas of the body are heated and others are cooled.
  • the position criteria from the shape of the vehicle body 2a, 2b, 2c or the position of the respective finite body surface elements with respect to further body surface elements, and with respect to components of the furnace 4 (nozzles 5a, 5b, 5c, active jet surfaces 6a, 6b, 6c, etc.) are automatically calculated by the simulation software program - based on the above-mentioned finite element models of the vehicle body 2a, 2b, 2c and the labeling of the furnace 4
  • FIG. 3 schematically shows a plurality of body surface elements 21, 22, 23 used in the simulation.
  • each Element 21, 22, 23 uses a certain number of search directions (here indicated by the arrows S1, S2, S3, S4 or the arrows S1 ', S2').
  • the search directions are, for example each defined with respect to the normal vector nl, n2, n3 and a middle point of the respective body surface element 21, 22, 23
  • search directions is used in each case for a plurality of body surface elements 21, 22, 23, in particular for all elements 21, 22, 23, e.g. four to eight, in particular six different search directions.
  • the various search directions used for a specific body surface element 21, 22, 23 are distributed in space (or essentially gold-based) in space (thus, each adjacent search direction of the search direction used for a specific body surface element 21, 22, 23 are search directions) arranged with a certain solid angle ⁇ which is identical for all adjacent search directions of the respective element 21, 22, 23 - bd use of, for example, six different search directions per body surface element 21, 22, 23 indicate the arrows S1 assigned to the respective search directions, S2, S3, S4 then into the corners of an isocahedron centrally surrounding the respective element 21, 22, 23.)
  • the orientation of the search directions of two adjacent body surface elements 21, 22 with respect to the respective normal vector nl, n2, n3 is rotated by a certain angle, for example between 5 ° and 45 °, in particular between 10 ° and 35 °
  • the search direction S1 used in the first element 21 includes a winkd ⁇ relative to the normal vector nl
  • the simulation software program determines whether and if so, at what distance from the respective body surface element 21, 22, 23 - from the respective body surface element 21, 22, 23 lying on line of sight - a further body surface element 24 is arranged, or whether in this direction - visible from the respective body surface element 21, 22, 23 - a component of the furnace is arranged (and if so, what kind of furnace) Component, and the distance this furnace component is from the respective body surface element 21, 22, 23 - this allows, for example, the strength of the effect of the respective furnace component on the respective body surface element 21, 22, 23 to be estimated) ,
  • a further body surface element 24 is arranged in a “visible way” (further, possibly behind the body surface element 24) on the extension of the chain line T1, ie the dotted line U1 - body surface elements or furnace components are covered by the body surface element 24 and are not taken into account by the software program).
  • the determination of the thermal boundary conditions associated with a specific body surface element 22, 23, 24 is thus carried out by starting from the respective body surface element 22, 23, 24 in certain search directions S1, S2, S3, S4 the surroundings are "searched" for further body surface elements or furnace components.
  • search directions S1, S2, S3, S4 starting from the respective body surface element 22, 23, 24 are used here, but search directions S, S 'emanating from the nozzle 5a examined in each case. Dabd, significantly more search directions are used for each nozzle 5a, 5b, 5c, 5d than bd for the body surface elements 22, 23, 24 (for example, from each nozzle or row of nozzles to each central point of a body surface element 22, 23, 24.
  • the simulation software program determines, on the one hand, for each search direction S, S 'of each nozzle 5a, 5b, 5c, 5d whether and if so, with the distance from the nozzle 5a, 5b, 5c, 5d - from the respective nozzle 5a, 5b, 5c, 5d from visible - body surface elements 21, 22, 23, 24 are arranged (this applies here, for example, to body surface element 24 (search direction S "), and also, for example, to body surface element 23 (Search direction S)).
  • the Smuktions-So_-bv - reprog -tmm additionally determines whether body surface elements 21, 22, 23, 24 are arranged in the scattering nozzle of the jet air flow (this applies here, for example, to body surface element 22 (arrow S " ), and for example for the body surface elements 21 (arrow S ')).
  • the strength of the effect of the respective nozzle 5a, 5b, 5c, 5d on the respective body surface element 21, 22 lying in the airflow scattering roof is estimated (for example, based on the size of the scattering angle ⁇ - the smaller the scattering angle ⁇ , the more greater the effect of the nozzle 5a, 5b, 5c, 5d -, and on the basis of the distance of the respective body surface element 21, 22 from the airflow-scattering surface element 24, and its distance from the nozzle 5a, 5b, 5c, 5d).
  • the vehicle bodies 2a, 2b, 2c are transported through the furnace 4 at a specific (constant, or alternatively: variable) feed speed v.
  • a specific (constant, or alternatively: variable) feed speed v the effect of a single nozzle 5a is achieved by the simulation software program used here so approximated that instead of the individual nozzle 5a, a row of nozzles comprising several nozzles and lying on a line parallel to the direction of advance is expected, the effect of which on a particular body surface element is independent of the Zdt (ie it is done as rest the vehicle body 2a, 2b, 2c with respect to the furnace 4 or with respect to the row of nozzles (ie as the feed speed is 0 km / h)).
  • the above-described procedure assigns the individual body surface elements 21, 22, 23, 24 to the individual body surface elements 21, 22, 23, 24 according to the best position criteria described above, thermal boundary condition parameters (position in the range of action of nozzles 5a, 5b, 5c, 5d (and strength of the respective effect, position in the effective range of heated jet surfaces 6a, 6b, 6c (and strength of the respective effect), Position in the range of effects of black ray surfaces 7a, 7b, 7c (and strength of the respective effect), etc.).
  • the sirection software program automatically determines whether a) the respective body surface element is (predominantly) “frd”, that is to say interactively with the ambient air (this applies, for example, to the passenger compartment) associated body surface elements), or whether b) the respective body surface element is (essentially) enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c (ie no or very little ambient air interacts with the respective element), or whether it occurs c) around a body surface element (e.g. a body surface element of the trunk), which - although essentially enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c - nevertheless interacts to a considerable extent with the ambient air (e.g. because in the trunk large ventilation openings are provided, through which ambient air can get into the trunk) - or in wdch
  • the extent of a certain body surface element lies between the “extreme cases” a) and c) mentioned
  • the respective body surface element is heated strongly by convection-based heat transport for the air swirled by the influence of the nozzle - see the above.
  • Formd (2) - This heat flow due to the convection is then mostly large in relation to the heat flow due to the radiation - see the above.
  • Formd (1) - the heating of the respective body surface element may take place predominantly via heat radiation, specifically by means of heat radiating body surface elements arranged in the vicinity of the respective body surface element.
  • the above-mentioned variables are adjusted - separately for each body surface element - depending on the thermal boundary conditions parameters determined for the respective body surface element (position in the range of action of nozzles 5a, 5b, 5c, 5d (and strength of the respective one Effect), position in the area of action of heated jet surfaces 6a, 6b, 6c (and strength of the respective action), position in the area of action of black-black areas 7a, 7b, 7c (and strength of the respective action), position in relation to other body surface elements, etc.).
  • Bd of the body surface elements enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c (above cases b) and c)) is as described above bd the adaptation of the above.
  • the adaptation of the above Variables bd of the body surface elements enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c additionally take into account that these are not heated, or only reactively weakly, by heat transport based on convection, because the surrounding space hinders the air movement
  • the amount of heating based on convection is estimated by estimating the size of the cavity enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c, in which the respective body surface element lies (or, as explained above, the distance of the respective body surface element). Elements of the body surface elements surrounding this element).
  • the ambient temperature T ⁇ gldch the temperature of the furnace air outside the vehicle body 2a, 2b, 2c is not assumed that the ambient temperature T ⁇ gldch the temperature of the furnace air outside the vehicle body 2a, 2b, 2c is Instead, it is assumed that the ambient temperature bd of the body surface elements enclosed by the vehicle body 2a, 2b, 2c (for example cases b) and c)) is an average of the temperature of the furnace air outside the vehicle body 2a, 2b, 2c, and the temperature of the body surface elements surrounding the respective body surface element.
  • the temperature of the furnace air outside the vehicle body 2a, 2b, 2c is weighted the higher (and the temperature of the body surface elements surrounding the respective body surface element is lower), the greater that of the vehicle body 2a, 2b, 2c is enclosed cavity in which the respective body surface element lies (or the greater the distance of the respective body surface element from the body surface elements surrounding this element).
  • T y is adapted to the convection calculation used for the radiation, unless this would exceed a predetermined threshold value T s (eg the temperature of the heated radiation surfaces 6a, 6b, 6c) ).
  • the body temperature is a function of the Zdt Gldchddtig the convection boundary conditions are a function of the body temperature.
  • the estimated temperature values T 1, ′ then serve to update corresponding thermal boundary condition parameters corresponding to the temperature of body surface elements in the manner described above.
  • the adapted convection calculation form used in each case for the various body surface elements is then updated accordingly (ie an updated, adapted ambient temperature variable T ⁇ 'is used, or in addition an updated, adapted heat transfer coefficient ⁇ ").
  • the temperature of the respective body surface element ie based on a (square) extraction calculation using temporally preceding temperature values , here the temperature values T ⁇ o , T K1 and T ⁇ of the respective body surface element) whose temperature is estimated at a further point t j following the time t ⁇ (temperature T ⁇ .
  • the estimated temperature values T ⁇ ' serve to update the corresponding thermal boundary condition parameters which are dependent on the temperature of the body surface elements.
  • the adapted convection calculation form used for the various body surface elements is then updated accordingly (as described above) (ie an updated, adapted ambient temperature variable Tu '"is used, or, if appropriate, an additional one updated, adapted heat transfer coefficient ⁇ '").

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation von Wärmetransportprozessen, wobei ein Körper (2a, 2b, 2c) in mehrere Berechnungselemente (21, 22) unterteilt wird, und wobei aus der Lage eines ersten Berechnungselements (21, 22) in Bezug auf mindestens ein weiteres Berechnungselement (24, 5a) mindestens ein dem ersten Berechnungselement (21, 22) zugeordneter thermischer Randbedingungs-Parameter ermittelt wird, und die Wirkung von durch Wärmestrahlung oder durch erzwungene Konvektion verursachtem Wärmetransport in Bezug auf das erste Berechnungselement (21, 22) dadurch abgeschätzt wird, dass auf Grundlage des thermischen Randbedingungs-Parameters mindestens ein üblicherweise zur Berechnung von durch freie Konvektion verursachtem Wärmetransport verwendeter, auf einem funktionalen Zusammenhang zwischen Temperatur und Wärmetransport beruhender Konvektions-Parameter (TU, α) entsprechend angepasst wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Simulation von Wärmetransportprozessen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation von Wärmetrans- portprozessen.
Bei der Fertigung von Z-B- Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen werden die Karosserie- Oberflächen mit Hilfe von Verfahren behandelt, welche mehrere Schritte umfassen.
Zunächst wird die Karosserie gründlich gereinigt Dann wird die Karosserie z.B. in ein Bad, beispielsweise ein Farbbad eingetaucht, wo z.B. mittels eines kathodischen Abscheidevertah- rens eine (erste) Beschichtung bzw. ein (erster) Überzug auf die Karosserie aufgebracht wird.
Daraufhin wird die aufgebrachte Beschichtung bzw. der Überzug in einem Ofen ausgehärtet bzw. getrocknet
Als nächstes wird — z.B. durch Eintauchen in ein weiteres Bad, oder auf beliebige andere Weise, z.B. mittels entsprechender Sprühtechniken — eine weitere Beschichtung, z.B. eine (weitere) Lackschicht, z.B. eine Farblackschicht, auf die Karosserie aufgebracht, die in einem weite- ren Ofen ausgehärtet bzw. getrocknet wird, usw.
Um Zeit und Kosten zu sparen, sind an den Öfen z.B. Düsen, Schwarzstrahler, etc. vorgesehen, die für eine relativ schnelle Erwärmung der Karosserie auf die zur Aushärtung bzw. Trocknung erforderliche Temperatur sorgen. Diese kann z.B. in einem vorgebebenen Tempe- raturbereich, z.B. zwischen 165°C und 195°C Hegen, d.h. ca. 180°C (±15°C) betragen.
Um eine ordnungsgemäße Aushärtung bzw. Trocknung zu gewährleisten, muß diese Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer, z.B. 15 Minuten lang, aufrechterhalten werden (Aushärte- bzw. Trocknungszeitdauet). Es kann zu Qualitätseinbußen der aufgebrachten Beschichtung bzw. des Überzugs kommen, wenn während der o.g., z.B. ca. 15 Minuten lang andauernden Aushärte- bzw. Trocknungsperiode z.B. die untere Grenze des o.g. Temperaturbereichs eine bestimmte Zeit lang unterschritten wird (die Karosserietemperatur z.B. 10 Minuten lang lediglich 160°C beträgt), oder z.B. die obere Grenze des o.g. Temperaturbereich eine bestimmte Zeit lang überschritten wird (die Karosserietemperatur z.B. 5 Minuten lang 200°C beträgt), oder die Temperatur geht zu schnell auf hohe Werte. Abhängig vom Zweck der Trocknung gibt es verschiedene Anforderungen an den zeitlichen Temperaturverlauf.
Besonders kritisch ist die Aufwärmphase. Einerseits sollte z.B. die Temperatur der zirkulierenden Luft hier möglichst hoch sein, damit sich die Karosserie möglichst schnell erwärmen kann, wodurch die Herstellzeit verkürzt, und die Herstellkosten verringert werden. Andererseits kann eine zu hohe Temperatur der zirkulierenden Luft dazu führen, dass — noch bevor z.B. die gegenüber der zirkulierenden Luft weniger stark exponierten Karosserieflächen - die o.g. Aushärtungs- bzw. Trocknungstemperatur (bzw. zumindest die untere Grenze des Aus- härtungs- bzw. Trocknungstemperaturbereichs) erreichen, die Temperatur von gegenüber der zirkulierten Luft relativ stark exponierten Karosserief-ächen, z.B. die Karosserieaußenflächen, zu stark ansteigt (z.B. deren Temperatur die obere Grenze des Aushärtungs- bzw. Trock- nungstemperaturbereichs überschreitet). Die Temperaturverteilung in einer Karosserie ist ungleichmäßig.
Wenn die Karosserie relativ langsam erwärmt wird, kann in der Beschichtung bzw. im Überzug enthaltenes Wasser gl chmäßig verdunsten, was einerseits zu höherer Qualität der Be- Schichtung und zu einer etwas gldchmäßigeren Temperaturverteilung führt, andererseits die Herstellzeit verlängert, und damit die Herstellkosten erhöht
Diese einfachen Beispiele verdeutlichen, wie wichtig es ist, im jeweiligen Ofen die Prozeßpa- rameter (Temperatur des Ofens, Dauer der Aushärte- bzw. Trocknungsperiode, etc.) optimal einzustellen.
Im Stand der Technik ist bekannt, die optimalen Prozessparameter durch eine „Trial and Er- ror"-Methode, d.h. empirisch zu ermitteln. Hierbei werden - unter Verwendung von Karosserie-Prototypen - zahlreiche Versuche durchgeführt Nach jedem Versuch werden die Pro- zessparameter geändert, bis ein hinsichtlich Qualität und Produktionszeit bzw. Produktionskosten befriedigendes Ergebnis erreicht wird. In ungünstigen Fällen muß ein Ofen für eine neue Karosserie umgerüstet werden. Eine derartige „Trial and Error"-Methode ist zeitaufwändig und teuer.
Wird die Form, die Blechdicke oder das Material der Karosserien, getrocknet werden sollen, geändert, muß eine komplett neue Test-Schleife durchlaufen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges Verfahren zur Simulation von Wärmetransportprozessen bereitzustellen.
Sie erreicht dieses und weitere Ziele durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Simulation von Wärme- ttansportprozessen zur Verfügung gestellt, wobei ein Körper in mehrere Berechnungselemente unterteilt wird, und wobei aus der Lage eines ersten Berechnungselements in Bezug auf mindestens ein weiteres Berechnungselement mindestens ein dem ersten Berechnungselement zugeordneter thermischer Randbedingungs-Parameter ermittelt wird, und die Wirkung von durch Wä--mest----hlung oder durch erzwungene Konvektion verursachtem Wärmetrans- port in Bezug auf das erste Berechnungselement dadurch abgeschätzt wird, dass auf Grundlage des thermischen Randbedingungs-Parameters mindestens ein üblicherweise zur Berechnung von durch freie Konvektion verursachtem Warmetransport verwendeter, auf einem funktionalen, insbesondere linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und Warmetransport beruhender Konvektions-Parameter entsprechend angepasst wird.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf ein AusJ-ührungsbeispiel und die beigefügte Zeichnung näher erläutert In der Zeichnung zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fertigungsstraße, bei welcher Fahrzeugkarosserien in mehreren Stufen gereinigt, beschichtet bzw. lac-riei-t-, und getrocknet werden;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines in der in Figur 1 gezeigten Aushärtungs- bzw. Trocknungs-Stufe vorgesehenen Ofens;
Figur 3 eine schematische Darstellung von zur Simulation verwendeten Karosserieflä- chen-Elementen; und Figur 4 eine schematische Darstellung von zur Simulation verwendeten Karosserieflä- chen-Elementen, und einer Ofen-Düse.
In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Fertigungsstraße 1 gezeigt, bei welcher Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c in mehreren Stufen 3a, 3b, 3c gereinigt, beschichtet bzw. lackiert, und getrocknet werden.
Die Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c weisen alle im wesentlichen die gleiche Form auf, und werden — wie hier durch entsprechende Pfeile veranschaulicht — z.B. mit Hilfe eines Fließbands vollautomatisch zunächst zur ersten Bearbeitungs-Stufe 3a, von dort aus weiter zur zweiten Bearbeitungs-Stufe 3b, und dann zur dritten Bearbeitungs-Stufe 3c befördert, usw.
Die erste Bearbeitungs-Stufe 3a weist z.B. ein Wanne auf, die mit einer Reinigungsflüssigkeit gefüllt ist, in die die Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c nacheinander zur Reinigung eingetaucht werden. Die (Re-----gungs-)Bearbeitungs-Stufe 3a kann mehrere Unter-Stufen aufweisen, d.h. die Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c können nacheinander in mehreren Stufen gereinigt werden (z.B. nacheinander in verschiedene Wannen eingetaucht werden, die jeweils z.B. entsprechen- de Reinigungsflüssigkeiten enthalten).
In der zweiten Bearbeitungs-Stufe 3b wird dann die (in der ersten Bearbeitungs-Stufe 3a gereinigte) Oberfläche der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c einer entsprechenden Verarbeitung unterzogen, z.B. die entsprechende Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c in ein (Farb-)Bad eingetaucht, insbesondere in ein Bad, in welchem mittels eines kathodischen Abscheideverfahrens (z.B. eines Electro Deposition Coating-Verfahrens) eine Farb-Schicht bzw. eine beliebige andere Beschichtung auf die Oberfläche der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c aufgebracht wird. In der zweiten Bearbeitungs-Stufe 3b können auch beliebige andere Oberflächen- Be--rbdtungsverfahten durchgeführt werden, z.B. entsprechende Lacke auf die Fahrzeugka- rosserie 2a, 2b, 2c aufgesprüht werden, etc. Entsprechend wie die (Re-nigungs-)Bearbeitungs- Stufe 3a kann auch die (Oberflächen-)Bearbeitungs-Stufe 3b mehrere Unter-Stufen aufweisen, d.h. die Oberflächen der Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c können nacheinander in mehreren Stufen bearbeitet werden (z.B. nacheinander in verschiedene (Farb-)Bäder eingetaucht werden).
Daraufhin wird in der dritten Bearbeitungs-Stufe 3c die vorher aufgebrachte (zunächst noch flüssige oder pulverförmige) Beschichtung bzw. (Lack-)Schicht in einem Ofen 4 ausgehärtet bzw. getrocknet Entsprechend wie die (Reinigungs-)Bearbeitungs- und die (Oberflächen- )Bearbeitungs-Stufe 3a, 3b kann auch die (Aushärtungs- bzw. Trocknungs-)Bearbeitungs- Stufe 3c mehrere Unter-Stufen aufweisen, d.h. die Oberflächen der Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c können nacheinander in mehreren Stufen getrocknet bzw. ausgehärtet werden (z.B. nacheinander mehreren, hintereinandergeschalteten Öfen zugefi-hrt werden). Gleichzeitig kann die Trocknung auch noch Aufgaben aus anderen Prozessen oder Montageabläufen ü- bemehmen, z.B. Aushärten oder angelieren von Klebenähten, expandieren oder gerade noch nicht expandieren sogenannter Blähformteile, Härten mit dem sogenannten Bake-Hardening- Effekt
Als nächstes kann die entsprechende Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c einer beliebigen weiteren, hier nicht dargestellten Bearbeitungs-Stufe zugeführt werden, z.B. einer weiteren Reinigungs- und/oder Oberflächen-Bearbeitungs-Stufe, usw.
In Figur 2 ist eine schematische, aus Anscliauungsgründen vereinfachte Darstellung des in der in Figur 1 gezeigten Aushärtungs- bzw. Trocknungs-Stufe vorgesehenen Ofens 4 gezeigt
Der Ofen 4 ist im wesentlichen röhrenförmig ausgestaltet, und kann bestückt sein durch: mehrere aktive, d.h. beheizte Strahlflächen 6a, 6b, 6c an seiner Innenwand 17, sowie mehrere Düsen 5a, 5b, 5c, mehrere (passive, nicht beheizte) Schwarzstrahl-Flächen 7a, Tb, 7c. Von den Außenwänden des Ofens 4 verdeckte Abschnitte der Strahlflächen 6a, 6b, 6c, 7a, 7b, 7c bzw. Düsen 5a, 5b, 5c sind hier gestrichelt dargestellt (Anmerkung: Sämtliche nicht beheizten Wände des Ofens haben eine entsprechende Wirkung, wie die Schwarzstrahl-FEchen 7a, 7b, 7c, und werden bei der unten erläuterten Simulation auf entsprechende Weise berücksichtigt, wie hier beispielhaft für die Schwarzstrahl-Flächen 7a, 7b, 7c erläutert).
Der hier gezeigte Aufbau des Ofens 4 als eine Röhre ist eine übliche Ofen-Bauform. Ein solcher Ofen wird z.B. als Durchlauftrockner bezeichnet Alternativ können statt eines Durch- lauftrockners auch beliebige andere Öfen verwendet werden, z.B. Stationstrockner. In einem Stationstrockner steht die Karosserie an einem Ort fest oder führt alternierende Bewegungen innerhalb des geschlossenen Ofens aus. Die Ausrüstung solcher Stationstrockner geschieht prinzipiell mit den gleichen Mitteln, wie für den hier beschriebenen Ofen 4 angegeben.
Am Eingangsbereich 8 und am Ausgangsbereich 9 des Ofens 4 sind — hier nicht dargestellte — Schleusen angebracht Diese verhindern, dass - nachdem die Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c durch die entsprechende Schleuse in den Ofen 4 eingeführt wurde - die im Ofen 4 befindliche Luft unkontrolliert aus dem Ofeninnem nach Außen hin entweichen kann. Die aktiven Strahlf-ächen 6a, 6b, 6c werden auf eine relativ hohe Temperatur geheizt Schwarzstrahler haben z.B. Temperaturen von ca. 200 bis 300 °C, Infrarotstrahler können Temperaturen von über 1000°C erreichen. Sie dienen zum einen dazu, die im Ofeü vorhan- dene Luft zu erwärmen (und damit indirekt mittels Konvektion bzw. Wärmeströmung auch die jeweilige Fahrzeugkarosserie 2a, 2b 2c). Zum anderen wird durch die von den aktiven Strahlflächen 6a, 6b, 6c abgegebene Wärmestrahlung auch eine direkte — auf Strahlungsab- sorption beruhende - Erwärmung der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b 2c erreicht Auch die nicht zusätzlich beheizten Wände des Ofens 7a, 7b, 7c haben beim Aufheizen im Allge- meinen höhere Temperaturen als die Karosserie und geben als Schwarzstrahler Wärme an die Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c ab.
Die Düsen 5a, 5b, 5c setzen die Luft im Ofen in Bewegung und erhöhen dadurch den Wär- meeintrag in die Fahrzeugkarosserie 5a, 5b,5c durch Konvektion.
Die Düsen 5a, 5b, 5c erzeugen jeweils einen in Richtung des Ofeninnern gerichteten Luft- strom. Dadurch wird erreicht, dass insgesamt ein erhöhter auf Konvektion bzw. Wärmeströmung beruhender Warmetransport auftritt (zusätzlich zu einem durch Temperatur- und damit Dichteunterschiede der Luft verursachte Strömung (freie Konvektion)). Wird die Luftbewe- gung durch die mit Düsen 5a, 5b, 5c eingeblasene Luft dominiert, kann man von erzwungener Konvektion ausgehen. Je höher die Lufigeschwindigkeit desto größer ist der Wärmeaustausch mit der Luft durch Konvektion.
Alle Strahlflächen 6a, 6b, 6c und 7a, 7b, 7c strahlen gemäß dem Gesetz von Stefan und Boltzmann und geben eine Strahlungsenergie ab. Daraus ergibt sich ein Wärmeeintrag in die Karosserie. Die Größe dieses Wärmeeintrags bezogen auf die Fläche (Wä mestromdichte) berechnet sich aus der Differenz der 4. Potenz der Temperaturen der jeweiligen Strahlungs- partner (siehe unten, Formel (1)).
% = FSBεsεBσ (Ts 4 - Tκ 4) (Formel (1))
js Wärmestromdichte in ein Karosserieblech aufgrund der Strahlung zwischen einer
Strahlfläche 6a,6b,6c oder 7a,7b,7c
FSB Faktor für die Anordnung der Strahlungspartner zueinander bzw. bei vergleichsweise Heiner Unterteilung des Bleches in einzelne Flächenelemente die Umschließung dieses
Flächenelementes vom Blech durch die Sttahlfläche 6a,6b,6c oder 7a,7b,7c (bei
Schwarzstrahlem ist dieser Faktor durch die Anordnung festgelegt Bei Infrarotstrah- lern mit einer durch Reflektoren gerichteten Sttahlung wird dieser Faktor entsprechend angepasst)
8sεB Emissionszahlen von Strahlfläche und Blech
Ts Strahlwandtemperatur
Tκ Blechtemperatur σ Proportionalitätskonstante (σ=5,670 x 108 W m"2 K"4)
Des wdteren kann der Mittels Konvektion errdchte Wärmestrom dQ/dt z.B. zwischen der die jeweilige Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umgebenden Luft, und der entsprechenden Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c bel---u--ntermaßen wie folgt berechnet werden:
dQ/dt = Tu - TK) α Aκ (Formel (2))
Dabd ist Aκdie Größe der jeweiligen Karosseriefläche (bzw. die Größe der jeweils betrachteten Fläche des jeweiligen finiten Karosserieflächen-Elements bzw. der jeweiligen „Temperatur-Zelle" (siehe unten)), Tκ die Temperatur der Karosseriefläche bzw. des jeweiligen finiten Karosserieflächen-Elements, Tu die Umgebungstemperatur, und α die jeweils geltende Wär- meübergangszahL
Wie in Figur 2 wdter gezeigt ist, werden die Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c mittels einer Fördereinrichtung 10, z.B. einem Förderband in den Ofen 4 ei---geführt, und — entsprechend der Förderb-mdgeschwindigkdt - mit einer Vorschubgeschwindigkdt v durch den Ofen 4 hin- durchttansportiert Die Vorschubgeschwindigkdt v der Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c durch den Ofen 4 wird von einer Steuereinrichtung 11 eingestellt^ z.B. einem Rechner 12, auf dessen Spdchere----richtung 13 ein entsprechendes Steuer-Softw-treprogι-------m abgespdchert ist
Die Steuereinrichtung 11 (bzw. das Steuer-Sof areprogramm) steuert neben der Vorschubgeschwindigkdt v (d.h. deren Höhe und gegebenenfalls deren zdtlichen Verlauf) - und damit der Verweil-Zdtdauer der Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c im Ofen 4 bzw. der Dauer der Aushärte- bzw. Trocknungsperiode — alternativ zusätzlich u.a. noch die folgenden Parameter des Trocknungs- bzw. Aushärtevorgangs: Beheizung der aktiven Strahl flächen 6a, 6b, 6c (und damit - indirekt - Höhe und zdtlicher Verlauf der St-ahlflächen-Temperatur Tg), und/oder die Stärke des von den Düsen 5a, 5b, 5c erzeugten Luftstroms, etc.
Zur Steuerung der Beheizung der Strahlflächen 6a, 6b, 6c, d.h. genauer: zur Steuerung von den aktiven Strahlflächen 6a, 6b, 6c zugeordneten Heizdementen ist die Steuereinrichtung 11 über entsprechende Steuerungsldtungen 14 bzw. alternativ einem Steuerungs-Datenbus mit den jeweiligen Heizelementen verbunden, so dass der durch entsprechende Heizdrähte der Heizelemente fließende Luftstrom, die Lufttemperatur oder der dektrische Strom — und damit die Temperatur der Strahlflächen 6a, 6b, 6c— eingestellt werden kann.
Auf entsprechende Wdse ist die Steuereinrichtung 11 mittels wdterer Steuerldtungen 15 (o- der dem o.g. Steuerungs-Datenbus) mit entsprechenden Antriebsdementen, z.B. Elektromotoren der Fördereinrichtung 10 verbunden, so dass der durch die Elektromotoren fließende Strom, und dadurch deren Drehzahl eingestellt werden kann (und damit - indirekt - die Vor- schubgeschwindigkdt v der Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c im Ofen 4).
Optional kann die Steuereinrichtung 11 zusätzlich z.B. mittels entsprechender wdterer Steuerungsldtungen 16 (oder z.B. dem o.g. Steuerungs-Datenbus) mit den Düsen 5a, 5b, 5c verbunden sein, so dass die Stärke des von den Düsen 5a, 5b, 5c erzeugten Luftetroms eingestellt werden kann, usw.
Im Ofen 4 soll die jeweilige Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c relativ schnell auf die zur Aushärtung bzw. Trocknung erforderliche Temperatur erwärmt werden. Diese kann z.B. in einem vorgebebenen Temperaturberdch, z.B. zwischen 165°C und 195°C liegen, d.h. ca. 180°C (±15°C) betragen.
Um eine ordnungsgemäße Aushärtung bzw. Trocknung zu gewährleisten, muß diese Temperatur für eine vorbest-mmte Zeitdauer, z.B. 15 Minuten lang, aufrechterhalten werden (Aushärte- bzw. Trocknungszdtdauer).
Es kann zu Qu-tlitätseinbußen der aufgebrachten Beschichtung bzw. (E-ack-)Schicht kommen, wenn die jeweilige Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c bzw. ein Abschnitt hiervon während der o.g., z.B. ca. 15 Minuten lang andauernden Aushärte- bzw. Trocknungsperiode z.B. eine bestimmte Zdt lang die untere Grenze des o.g. Temperaturberdchs unterschrdtet (die Temperatur des entsprechenden Karosserieabschnitts z.B. 10 Minuten lang lediglich 160°C beträgt), oder z.B. eine bestimmte Zdt lang die obere Grenze des o.g. Temperaturberdchs überschrdtet (die Temperatur des entsprechenden Karosserieabschnitts z.B. 5 Minuten lang 200°C beträgt).
Besonders kritisch ist die Aufwärmphase. Einersdts sollte z.B. die Temperatur der zirkulierenden Luft hier möglichst hoch sein, damit sich die jeweilige Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c möglichst schnell erwärmen kann, wodurch die Herstellzdt verkürzt, und die Herstellkosten verringert werden. Anderersdts kann eine zu hohe Temperatur der zirkulierenden Luft dazu führen, dass — noch bevor z.B. die gegenüber der zirkulierenden Luft weniger stark (oder z.B. (fast) überhaupt nicht exponierten) Karosserieflächen, die o.g. Aushärtungs- bzw. Trocknungstemperatur (bzw. zumindest die untere Grenze des Aushärtungs- bzw. Trocknungs- temperaturberdchs) errdchen, die Temperatur von gegenüber der zitkulierten Luft relativ stark exponierten Karosserieflächen, z.B. die Karosserieaußenflächen, zu stark ansteigt (z.B. deren Temperatur die obere Grenze des Aushärtungs- bzw. Trocknungstemperaturberdchs überschrdtet).
Aus diesen Gründen kann es von hohem Interesse sein, vorab festzustellen, ob — bd (vollständig, teilweise, oder im wesentlichen vorgegebenen) Prozessparametem — bd einer bestimmten Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c beim Durchtransport durch den Ofen 4 die o.g. für einen qualitätsmäßig einwandfrden Aushärtungs- bzw. Trocknungsprozeß erforderlichen Karosserie-Temperatur-Bedingungen eingehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann es aus den o.g. Gründen wichtig sein, für den Ofen 4 die o.g. Prozeßparameter (Vorschubgeschwindigkdt v, Beheizung der aktiven Strahlflächen 6a, 6b, 6c, etc.) optimal einzustellen.
Dies wird hier nicht (bzw. nicht ausschließlich) mit Hilfe einer „Trial and Error"-Methode (unter Verwendung von Fahrzeugkarosserie-Prototypen) errdcht
Stattdessen wird z.B. am Rechner 12 (oder an einem beliebigen wdteten Rechner, der nicht mit dem Ofen 4 verbunden zu sein braucht) mit Hilfe eines auf dessen Spdchereinrichtung 13 oder einer beliebigen anderen Spdchereinrichtung gespdcherten Simulations- Softwareprogramms eine auf einer Finite-Elemente-Methode (FEM bzw. Finite Elements Method) beruhende Simulation des Aushärte- bzw. Trocknungs —Vorgangs dutchgefi-hrt
Zid der Simulation ist es z.B., „vorab zu klären", ob bd einer bestimmten Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c mit dem Ofen 4 ein z.B. hinsichtlich Qualität und Produktionszdt bzw. Produktionskosten akzeptabler Ausl----rtungs- bzw. Trocknungsprozeß durdigeführt werden kann (al- temativ oder zusätzlich kann die Simulation beispielsweise dazu dienen, vorab die Prozessparameter des Ofens 4 so einzustellen, dass ein hinsichtlich Qualität und Produktionszdt bzw. Produktionskosten optimales Ergebnis errdcht wird). Mit „Vorabklärung" ist hier gemeint, dass eine neue Farhzeugkarosserie nicht physikalisch, sondern nur als entsprechendes Rechenmodell vorliegt
Die ermittelten Prozessparameter bzw. die ermittdten Prozessparameter repräsentierende Daten werden dann vom Simulations-Softwareprogramm an das Steuei-software-Programm übergeben (- alternativ kann die Funktion des Simulations- und des Steuersoftware- Programms z.B. auch von ein- und demselben Softwareprogramm erfüllt werden -), so dass die Steuereinrichtung 11 (bzw. das Steuer-Softwareprogramm) dann bd der Aushärtung und Trocknung von reell vorhanden Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c im Ofen 4 die Vorschubge- schwindigkdt v, die Beheizung der aktiven Strahlflächen 6a, 6b, 6c, etc. entsprechend steuert
Bd einem alternativen Ausl-ührungsbeispiel erfolgt bei der Simulation lediglich eine Grobein- einstellung der Prozessparameter. Die Feineinstellung der Prozessparameter erfolgt — im Anschluß an die Simulation — mit Hilfe eines den he-fkömmlichen „Trial and Error"-Verfahren entsprechenden „Trial and Error"-Verfahrens (d.h., indem mit Hilfe von Fahrzeugkarosserie- Prototypen am Ofen 4 entsprechende Versuchsreihen durchgeführt werden).
Zur Simulation des Aushärte- bzw. Trocknungs —Vorgangs wird ein Finite-Element-Mode-1 der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c verwendet Um dies zu erzeugen, kann ein (zur Berechnung bzw. Simulation anderer Größen, z.B. der mechanischen Beanspruchung der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c verwendetes) Rechennetz verwendet werden, wdches in die Speic-hereinrichtung 13 eingelesen wird.
Das Mechani -Simulations-Rechennetz wird dann so angepasst, dass es — wie hier - zur Simu- lation der thermischen Beanspruchung der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c anhand eines Finite-Elemente-Verfahrens verwendet werden kann.
Beim zur Simulation der thermischen Beanspruchung verwendeten Finite-Elemente-Modell der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c sind die Fahrzeugkarosserieflächen jeweils in eine Vielzahl von jeweils zwischen mehreren, z.B. drd oder vier Bezugspunkten — Knoten — aufgespannten, aneinander angrenzende (z.B. ebene) Bezugsflächen - finite Karosserieflächen- Elemente 21, 22, 23 bzw. „Temperatur-Zellen" - unterteilt Die Temperatur an den Knoten ist das Ergebnis der Finiten-Elemente Berechnung. Die R-mdbedingungen (Konvektion, Wärmestrom aufgrund der Strahlung) werden an der Ober- und Untersdte von den Bezugs- flächen ermittelt Dazu wird von jeder Bezugsfläche bzw. „Temperatur-Zelle" eine mittlere Temperatur angenommen.
Zur Simulation des Aushärte- bzw. Trocknungs — Vorgangs wird im Rechner 12 zusammen mit dem o.g. Finite-Element-Modell der jeweiligen Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c eine Be- schrdbung des Ofens 4 unter Zuhilfenahme bestimmter Parametern verwendet Durch das Sirnu tions-Softwareprogramm wird die Lage eines bestimmten Karosserieflächen-Elements 21, 22, 23 in Bezug auf wdtere Karosserieflächen-Elemente, und in Bezug auf bestimmte Komponenten des Ofens 4 ((Düsen 5a, 5b, 5c, aktive Strahlflächen 6a, 6b, 6c, sonstige Flächen 7a, 7b, 7c, etc.) ermittelt und gespdchert Somit liegen für jedes Karosserieflächen- Element 21, 22, 23 die entsprechenden Werte und Zuordnungen vor.
Außer den o.g., die Lage der Ofenkomponenten beschrdbenden Parameter werden zur Simulation durch das Programm u.a. noch die folgenden Ofenparameter verwendet Lufttemperatur im Ofen 4 (ggf. in Abhängigkdt von der Lage im Ofen (wobd z.B. für Durchlauftrockner von zdtlich konstanten Temperaturverhältnissen ausgegangen wird) und/oder — bd Simulation des Ofenaufheizvorgangs oder bd Stationstrocknem — in Abhängigkdt von der Zdt), Temperatur der Innenwand 17 des Ofens (bzw. Temperatur der beheizten Sttahlflächen 6a, 6b, 6c, der Schwarzstrahl-Flächen 7a, 7b, 7c, und der übrigen Innenwand, d.h. ggf. in Abhängigkdt vom Ort und/oder - bd Simulation des Ofenaufheizvorgangs — in Abhängigkdt von der Zdt), sowie die o.g. Wärmeübergangszahl α (ggf. in Abhängigkdt von der Lage im Ofen
4).
Diese Parameter zur Ofenbeschrdbung, die in der Simulation notwendig sind, werden mit Messungen von Karosserietemperaturen in real vorhandenen Öfen 4 mit real vorhandenen Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c kalibriert, und später die entsprechend ermittdten Parameter in den Rechner 12 eingegeben und mit anderen, ggf. noch nicht real existierenden Karosse- rien in der Simulation angewendet Das Kalibrieren der Parameter zur Ofenbeschrdbung erfolgt durch eine Folge von Simulationen, bd denen jeweils ein Vergldch mit der Messung und eine entsprechende Anpassung der Parameter erfolgt
Die Simulation bzw. Berechnung der thermischen Beanspruchung der jeweiligen Fahrzeugka- rosserie 2a, 2b, 2c wird hier, wie im folgenden noch genauer erläutert wird, auf — aus der Form der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c bzw. der Lage der jeweiligen finiten Karosserieflächen-Elemente in Bezug auf wdtere Karosserieflächen-Elemente, und in Bezug auf Komponenten des Ofens 4 (Düsen 5a, 5b, 5c, aktive Strahlflächen 6a, 6b, 6c, etc.) abgeldtete — thermische Randbedingungen beschränkt Das Strömungsfeld der Luft um die Fahrzeugkarosse- rie 2a, 2b, 2c wird nicht simuliert und ggf. durch die Vorgabe von Wärmeübergangszahlen für die Konvektion berücksichtigt Der Wärmeeintrag durch Strahlung in die Fahrzeugkarosserie wird durch einen spezielles automatisiertes anpassen der Konvektionswerte näherungsweise einbezogen. In dieser Beschrdbung werden die Bezdchnungen so verwendet, wie sie beim Aufheizen eines Bleches vorkommen. Zu beachten ist zudem, das die Simulation auch das Abkühlen und damit die Wärmeabgabe aus der Karosserie erfasst Es kann vorkommen, das einige Berdche der Karosserie aufgeheizt werden, andere abgekühlt Die Lagekriterien aus der Form der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c bzw. der Lage der jeweiligen finiten Karosserieflächen-Elemente in Bezug auf wdtere Karosserieflächen-Elemente, und in Bezug auf Komponenten des Ofens 4 (Düsen 5a, 5b, 5c, aktive Strahlflächen 6a, 6b, 6c, etc.) werden vom Simulations-Softwareprogramm — auf Basis der o.g. Finite-Element- Modelle der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c und der Beschrdbung des Ofens 4 - automatisch berechnet
In Figur 3 sind schematisch mehrere bd der Simulation verwendete Karosserieflächen- Elemente 21, 22, 23 dargestellt Zur Ermittlung der für das jeweilige Karosserieflächen- Element 21, 22, 23 gdtenden, oben erwähnten thermischen Randbedingungen (bzw. von diese repräsentierenden Parametern) wird für jedes Element 21, 22, 23 eine bestimmte Anzahl von Suchrichtungen (hier durch die Pfeile Sl, S2, S3, S4 bzw. die Pfeile Sl', S2' angedeutet) verwendet Die Suchrichtungen sind z.B. jeweils gegenüber dem Normalen-Vektor nl, n2, n3 und einem mittleren Punkt des jeweiligen Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 definiert
Für jeweils mehrere Karosserieflächen-Elemente 21, 22, 23, insbesondere für sämtliche Elemente 21, 22, 23 wird jeweils die gleiche Anzahl an Suchrichtungen verwendet, z.B. vier bis acht, insbesondere sechs verschiedene Suchrichtungen.
Die verschiedenen bd einem bestimmten Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 verwendeten Suchrichtungen sind gldchmäßig (bzw. im Wesentlichen gldd-mäßig) im Raum verteilt (jeweils zwd benachbarte Suchrichtungen der bd einem bestimmten Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 verwendeten Suchrichtungen sind somit mit einem bestimmten, für sämtliche benachbarte Suchrichtungen des jeweiligen Elements 21, 22, 23 identische Raumwinkel ß zuein- ander angeordnet — bd Verwendung von z.B. jeweils sechs verschiedenen Suchrichtungen pro Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 deuten die den jeweiligen Suchrichtungen zugeordneten Pfeile Sl, S2, S3, S4 dann in die Ecken eines das jeweilige Element 21, 22, 23 zentral umschließenden Isokaeders.)
Die Ausrichtung der Suchrichtungen von zwd aneinander angrenzenden Karosserieflächen- Elementen 21, 22 gegenüber dem jeweiligen Normalen-Vektor nl, n2, n3 ist um jeweils um einen bestimmten, z.B. zwischen 5° und 45°, insbesondere zwischen 10° und 35° liegenden Winkd verdreht (z.B. schließt die beim ersten Element 21 verwendete Suchrichtung Sl gegenüber dem Normalen-Vektor nl einen Winkd γ ein, und die entsprechende, beim ans erste Element 21 angrenzenden zwdten Element 22 verwendete Suchrichtung Sl' gegenüber dem entsprechenden Normalen-Vektor n2 einen - vom Winkel γ (um zwischen 5° und 45°, insbesondere zwischen 10° und 35°) unterschiedlichen - Winkd γ5). Dadurch wird errdcht, dass sich die bd der auf den o.g. thermischen Randbedingungen beruhenden Simulationsrechnung jeweils bd einzelnen Karosserieflächen-Elementen 21, 22, 23 auftretende Fehler aufgrund der nur wenigen Suchrichtungen (besser) herausmitteln.
Das Simuktions-Softwareprogramm ermittdt für jede Suchrichtung jedes Karosserieflächen- Elements 21, 22, 23, ob und wenn ja, mit wdchem Abstand vom jeweiligen Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 — vom jeweiligen Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 aus sichtbar bzw. auf Sichtiinie liegend — ein wdteres Karosserieflächen-Element 24 angeordnet ist, oder ob in dieser Richtung — vom jeweiligen Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 aus sichtbar — eine Komponente des Ofens angeordnet ist (und wenn ja, um was für eine Ofen- Komponente es sich handelt, und wdchen Abstand diese Ofen-Komponente vom jeweiligen Karosserieflächendement 21, 22, 23 aufweist — dadurch kann z.B. die Stärke der Wirkung der jeweiligen Ofen-Komponente auf das jeweilige Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 abge- schätzt werden).
Beispielsweise ist — wie in Figur 3 durch die Strichpunktlinie Tl angedeutet — in Suchrichtung Sl vom ersten Element 21 aus auf „sichtbare Weise" ein wdteres Karosserieflächen- Elementen 24 angeordnet (wdtere, ggf. hinter dem Karosserieflächen-Element 24 — auf der Verlängerung der Strichpunktlinie Tl, d.h. der gepunkteten Linie Ul liegende - Karosserieflächen-Elemente bzw. Ofen-Komponenten werden vom Karosserieflächen-Element 24 verdeckt, und werden vom S---nuktions-Softwareprogramm nicht berücksichtigt).
Die Ermittlung der einem bestimmten Karosserieflächen-Element 22, 23, 24 zugeordneten thermischen Randbedingungen (bzw. von entsprechenden R-mdbedingungs-Parametern) erfolgt somit dadurch, dass vom jeweiligen Karosserieflächen-Element 22, 23, 24 aus in bestimmten Suchrichtungen Sl, S2, S3, S4 die Umgebung nach wdteren Karosserieflächen- Elementen bzw. Ofen-Komponenten „abgesucht" wird.
Die Abschätzung der Wirkung von Düsen 5a, 5b, 5c, 5d wird anders ermittdt Wie in Figur 4 schematisch dargestellt ist, werden hierbd nicht vom jeweiligen Karosserieflächen-Element 22, 23, 24 ausgehenden Suchrichtungen Sl, S2, S3, S4 verwendet, sondern Suchrichtungen S, S' die von der jeweils untersuchten Düse 5a ausgehen. Dabd werden pro Düse 5a, 5b, 5c, 5d wesentlich mehr Suchrichtungen verwendet, als bd den Karosserieflächen-Elementen 22, 23, 24 (z.B. von jeder Düse oder Düsenreihe zu jedem mittleren Punkt eines Karosserieflächen- Elementes 22,23.24. Das Simuktions-Sof-w--reprogramm ermittelt zum einen für jede Suchrichtung S, S' jeder Düse 5a, 5b, 5c, 5d, ob und wenn ja, mit wdchem Abstand von der Düse 5a, 5b, 5c, 5d — von der jeweiligen Düse 5a, 5b, 5c, 5d aus sichtbar — Karosserieflächen-Elemente 21, 22, 23, 24 angeordnet sind (dies trifft hier z.B. für das Karosserieflächen-Element 24 zu (Suchrichtung S"), sowie z.B. für das Karosserieflächen-Element 23 (Suchrichtung S)).
Zusätzlich wird berücksichtigt, dass die von der jeweiligen Düse 5a, 5b, 5c, 5d ausgeströmte Luft z.B. an Kanten von z.B. zwischen der Düse 5a, und dem jeweils untersuchten Karosserieflächen-Element 21, 22, 23 liegenden Karosserieflächen-Elementen (hier z.B.: dem Karos- serieflächen-Element 24) gestreut bzw. der entsprechende Luftstrom dort aufgewdtet wird.
Deshalb ermittdt das Smuktions-So_-bv--reprog -tmm zusätzlich, ob Karosserieflächen- Elemente 21, 22, 23, 24 im Streuberdch des Düsen-Luftstroms angeordnet sind (dies trifft hier z.B. für das Karosserieflächen-Element 22 zu (Pfeil S"), sowie z.B. für das Karosserieflä- chen-Elemente 21 (Pfeil S'")). Dabd wird zusätzlich noch die Stärke der Wirkung der jeweiligen Düse 5a, 5b, 5c, 5d auf das jeweilige, im Luftstrom-Streuberdch liegende Karosserieflächen-Element 21, 22 abgeschätzt (z.B. anhand der Größe des Streuwinkels δ - je kleiner der Streuwinkd δ, desto größer die Wirkung der Düse 5a, 5b, 5c, 5d — , und anhand des Abstands des jeweiligen Karosserieflächen-Elements 21, 22 vom den Luftstrom streuenden I arosserieflächen-Element 24, sowie dessen Abstand zur Düse 5a, 5b, 5c, 5d).
Wie oben erläutert, werden die Fahrzeugkarosserien 2a, 2b, 2c mit einer bestimmten (konstanten, oder alternativ: variablen) Vorschubgeschwindigkdt v durch den Ofen 4 hindurch- transportiert Zur Vereinfachung der Simulation wird durch das hier verwendete Simulations- Softwareprogramm die Wirkung einer einzelnen Düse 5a so angenähert, dass statt mit der einzelnen Düse 5a mit einer mehrere Düsen umfassenden, auf einer Linie parallel zur Vor- schubrichtung liegenden Düsenreihe gerechnet wird, deren Wirkung auf ein bestimmtes Karosserieflächen-Element unabhängig von der Zdt ist (d.h. es wird so getan, als ruhe die Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c in Bezug auf den Ofen 4 bzw. in Bezug auf die Düsenreihe (d.h. als betrage die Vorschubgeschwindigkdt 0 km/h)).
Durch die oben erläuterte Vorgehensweise werden vom Simuktions-Softwareprogramm den einzelnen Karosserieflächen-Elementen 21, 22, 23, 24 somit nach best-mmten, oben beschriebenen Lagekriterien thermische Randbedingungs-Parameter zugeordnet (Lage im Wir- kungsberdch von Düsen 5a, 5b, 5c, 5d (und Stärke der jeweiligen Wirkung, Lage im Wir- kungsberdch von beheizten Strahlflächen 6a, 6b, 6c (und Stärke der jeweiligen Wirkung), Lage im Wirkungsberdch von Schwarzstrahlflächen 7a, 7b, 7c (und Stärke der jeweiligen Wirkung), etc.).
Als zusätzlicher Randbedingungs-Parameter wird vom Sirnuktions-Softw-ireprogramm auto- matisch ermittelt, ob a) das jeweilige Karosserieflächen-Element (überwiegend) „frd" liegt, d.h. rektiv stark mit der Umgebungsluft in Wechsdwirkung tritt (dies gilt z.B. für die dem Fahrgastraum zugehörigen Karosserieflächenelemente), oder ob b) das jeweilige Karosserieflächen-Element (im wesentlichen) von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossen ist (d.h. keine oder nur sehr wenig Umgebungsluft mit dem jeweiligen Element in Wechselwir- kung tritt), oder ob es sich c) um ein Karosserieflächen-Element (z.B. ein Karosserieflächen- Element des Kofferraums) handdt, wdches — obwohl im wesentlichen von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossen — dennoch in beachtlichem Ausmaß mit der Umgebungsluft in Wechselwirkung tritt (z.B. deshalb, weil im Kofferraum rektiv große Belüftungsöffhungen vorgesehen sind, über die Umgebungsluft in den Kofferraum gelangen kann) — oder in wd- chem Ausmaß ein bestimmtes Karosserieflächen-Element zwischen den genannten „Extremfällen" a) bzw. c) liegt
Falls der Fall a) vorliegt, wird das jeweilige Karosserieflächen-Element rektiv stark durch auf Konvektion beruhendem Warmetransport für die vom Düseneinfluß verwirbelten Luft er- wärmt — siehe die o. g. Formd (2) - . Dieser Wärmestrom aufgrund der Konvektion ist dann meistens groß im Verhälitnis zu dem Wärmestrom aufgrund der Strahlung — siehe die o. g. Formd (1) — . Beim Fall c) erfolgt die Erwärmung des jeweiligen Karosserieflächen-Elements eventuell überwiegend über Wärmestrahlung, und zwar durch von in der N he des jeweiligen Karosserieflächen-Elements angeordnete, Wärme abstrahlende Karosserieflächen-Elemente.
Bd der vom Si--nuktions-Softwareprogramm durchgeführten Simulation wird die durch Wärmestrahlung (z.B. von den Strahlflächen 6a, 6b, 6c, den Schwarzstrahl-FEchen 7a, 7b, 7c, sowie von in der Nähe des jeweiligen Karosserieflächen-Elements angeordneten, Wärme abstrahlenden Karosserie_--ächen-Elementen) hervorgerufene Erwärmung des Karosserieflä- chen-Elements nicht auf Grundlage einer exakten Rechnung erfasst (d.h. nicht gemäß der o.g. Formeln (1)), sondern basierend auf einer „angepaßten" Konvektionsrechung (d.h. unter Verwendung einer der o.g. Formd (2) - dQ/dt = Tυ - Tu) α Aκ - entsprechenden Formel, unter Anpassung der folgenden Variablen: i) der Umgebungstemperatur (d.h. statt mit der tatsächlichen bzw. geschätzten Umgebungstemperatur Tu wird mit einer angepassten Umge- bungstemperatur Tυ' gerechnet), und/oder der Wärmeübergangszahl α (d.h. statt mit der tatsächlichen bzw. geschätzten Wärmeübergangszahl α wird mit einer angepassten Wärmeübergangszahl α' gerechnet). Die Anpassung der o.g. Variablen erfolgt - für jedes Karosserieflächen-Element separat — in Abhängigkdt von den für das jeweilige Karosserieflächen-Element ermittelten thermischen Randbedi--gungs-Parametern (Lage im Wirkungsberdch von Düsen 5a, 5b, 5c, 5d (und Stärke der jeweiligen Wirkung), Lage im Wirkungsberdch von beheizten Strahlflächen 6a, 6b, 6c (und Stärke der jeweiligen Wirkung), Lage im Wirkui-gsberdch von Schw-irzsttal-lflächen 7a, 7b, 7c (und Stärke der jeweiligen Wirkung), Lage in Bezug auf andere Karosserieflächen- Elemente, etc.).
Bd von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossenen Karosserieflächen-Elementen (o.g. Fälle b) und c)) wird wie oben beschrieben bd der Anpassung der o.g. Variablen für ein bestimmtes Karosserieflächen-Element die von benachbarten Karosserieflächen-Elementen abgestrahlte Wärme berücksichtigt Außerdem wird bd der Anpassung der o.g. Variablen bd von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossenen Karosserieflächen-Elementen (z.B. o.g. Fälle b) und c)) zusätzlich berücksichtigt, dass diese nicht, oder nur rektiv schwach durch auf Konvektion beruhendem Warmetransport erwärmt werden, weil der umschließende Raum die Luftbewegung behindert Die Höhe der auf Konvektion beruhenden Erwärmung wird dadurch abgeschätzt, dass die Größe des von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossen Hohlraums, in dem das jeweilige Karosserieflächen-Element liegt, abgeschätzt wird (bzw., wie oben erläutert, der Abstand des jeweiligen Karosserieflächen-Elements von den dieses Element umgebenden Karosserieflächen-Elementen).
Des wdteren wird bd von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossenen Karosserieflächen-Elementen (z.B. o.g. Fälle b) und c) ) nicht davon ausgegangen, dass die Umgebungs- temperatur Tυ gldch der Temperatur der Ofenluft außerhalb der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c ist Stattdessen wird davon ausgegangen, dass die Umgebi-ngstemperatur bd von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossenen Karosserieflächen-Elementen (z.B. o.g. Fälle b) und c) ) ein Mittdwert ist aus der Temperatur der Ofenluft außerhalb der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c, und der Temperatur der das jeweilige Karosserieflächen-Element umgebenden Karos- serieflächen-Elemente. Bd der Mittdung wird die Temperatur der Ofenluft außerhalb der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c um so höher gewichtet (und die Temperatur der das jeweilige Karosserieflächen-Element umgebenden Karosserieflächen-Elemente um so geringer), je größer der von der Fahrzeugkarosserie 2a, 2b, 2c umschlossene Hohlraum ist, in dem das jeweilige Karosserieflächen-Element liegt (bzw. je größer der Abstand des jeweiligen Karosse- rieflächen-Elements von den dieses Element umgebenden Karosserieflächen-Elementen ist). Bd der hier verwendeten für die Strahlung angepaßten Konvektionsrechung wird im Allge- meinen nur die Umgebungstemperatur-Variable Ty angepasst, es sd denn, diese würde bd der Anpassung einen vorbestimmten Schwellwert Ts überschrdten (z.B. die Temperatur der beheizten Strahlflächen 6a, 6b, 6c). Die Umgebungstemperatur-Variable wird dann dem Schwellwert entsprechend gewählt (d.h. Υυ' = Tg), und dann die Wärmeübergangszahl α entsprechend angepasst (d.h. es wird dann mit einer angepassten Umgebungstemperatur- Variable T^ = Ts, und mit einer angepassten Wärmeübergangszahl α' gerechnet).
Bd der Simuktion ist die Karosserietemperatur eine Funktion abhängig von der Zdt Gldch- zdtig sind die Konvel-tionsrandbedingungen eine Funktion von der Karosserietemperatrur. Basierend auf der oben beschriebenen angepaßten Konvektionsrechnung wird - ausgehend von einer bestimmten Anfangstemperatur Tκo der Karosserieflächen-Elemente zu einem An- fangs-Zdtpunkt ^, — für jedes Karosserieflächen-Element unter Verwendung der für das jeweilige Karosseriefkchen-Element geltenden angepaßten Konvektionsrechnungs-Formel dQ/dt = Tu' - TKQ) α Aκ bzw. dQ/dt = (Tυ' - Tκo) α' Aκ dessen Temperatur TK1 zu einem darauffolgenden Zdtpunkt tγ geschätzt
Daraufhin wird — für jedes Karosserieflächen-Element - aus dem Verkuf der Temperatur des jeweiligen Karosserieflächen-Elements (d.h. aufgrund einer (quadratischen) Extrapoktions- rechnung unter Verwendung vorangegangener Temperaturwerte, hier der Temperaturwerte Tκo und TK1 des jeweiligen Karosserieflächen-Elements) dessen Temperatur zu einem wdte- ren, auf den Zdtpunkt tt folgenden Zdtpunkt tj abgeschätzt (Temperatur T^').
Die geschätzten Temperaturwerte T^,' dienen dann dazu, auf die oben beschriebene Weise entsprechende, von der Temperatur von Karosserieflächen-Elementen abhängige thermische Randbedingungs-Parameter entsprechen zu aktualisieren.
Auf Basis der aktualisierten thermischen Randbedingungs-Parameter wird dann die bd den verschiedenen Karosserieflächen-Elementen jeweils verwendete, angepasste Konvektions- rechnungs-Formd entsprechend aktualisiert (d.h. eine aktualisierte, angepasste Umgebungstemperatur-Variable T^' verwendet, bzw. zusätzlich eine aktualisierte, angepasste Wärmeübergangszahl α").
Basierend auf der oben beschriebenen angepaßten Konvektionsrechnung wird dann - ausge- hend von den für sämtliche Karosserieflächen-Elemente gemäß dem vorangegangenen Ver- fahrensschritt abgeschätzten Temperaturen T^' zum Zdtpunkt tj - für jedes Karosserieflächen-Element unter Verwendung der für das jeweilige Karosserieflächen-Element gdtenden aktualisierten, angepaßten Konvektionsrechnungs-Formel dQ/dt = Tυ" - T^5) cc Aκ bzw. dQ/dt = (Ty" - TKI) α" AK dessen Temperatur TJQ berechnet (dieser Temperaturwert T^ weist eine höhere Genauigkdt auf, als der zunächst bd der Extrapoktion ermittdte Temperaturwert TyX).
Als nächstes wird entsprechend wie oben beschrieben — für jedes Karosserieflächen-Element - aus dem Ver uf der Temperatur des jeweiligen Karosserieflächen-Elements (d.h. aufgrund einer (quadratischen) Extrapoktionsrechnung unter Verwendung zeitlich vorangegangener Temperaturwerte, hier der Temperaturwerte Tκo, TK1 und T^ des jeweiligen Karosserieflä- chen-Elemente) dessen Temperatur zu einem wdteren, auf den Zeitpunkt t^ folgenden Zdtpunkt tj abgeschätzt (Temperatur T^.
Die geschätzten Temperaturwerte T^' dienen wiederum dazu, die entsprechenden, von der Temperatur der Karosserieflächen-Elemente abhängigen thermischen Randbedingungs- Parameter zu aktualisieren. Auf Basis der aktualisierten thermischen Randbedingungs- Parameter wird dann entsprechend wie oben beschrieben die bd den verschiedenen Karosserieflächen-Elementen jeweils verwendete, angepasste Konvektionsrechnungs-Formd entsprechend aktualisiert (d.h. eine aktualisierte, angepasste Umgebungstemperatur-Variable Tu'" verwendet, bzw. ggf. zusätzlich eine aktualisierte, angepasste Wärmeübergangszahl α'").
Basierend auf der oben beschriebenen angepaßten Konvektionsrechnung wird dann - ausgehend von den für sämtliche Karosserieflächen-Elemente gemäß dem vorangegangenen Verfahrensschritt abgeschätzten Temperaturen T^' zum Zdtpunkt tj - für jedes Karosserieflächen-Element unter Verwendung der für das jeweilige Karosserieflächen-Element geltenden aktualisierten, angepaßten Konvektionsrechnungs-Formel dQ/dt = £υ m - T^ α Aκ bzw. dQ/dt = (Tu"' - T^ α'" Aκ — auf genauerer Weise als durch die o.g. Extrapoktion - dessen Temperatur berechnet, usw.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Simulation von Wärmetransportprozessen, wobei ein Körper (2a, 2b, 2c) in mehrere Berechnungsdemente (21, 22) unterteilt wird, und wobd aus der Lage eines ersten Berechnungselements (21, 22) in Bezug auf mindestens ein wdteres Berechnungselement (24, 5a) mindestens ein dem ersten Berechnungselement (21, 22) zugeordneter thermischer R-andbedingungs-Pararneter ermittelt wird, und die Wirkung von durch Wärmestrahlung' oder durch erzwungene Konvektion verursachtem Warmetransport in Bezug auf das erste Berechnungselement (21, 22) dadurch abgeschätzt wird, dass auf Grundlage des thermischen Randbedingungs-Parameters mindestens ein üblicherweise zur Berechnung von durch frde Konvektion verursachtem Warmetransport verwendeter, auf einem funktionalen, insbesondere linearem Zusammenhang zwischen Temperatur und Warmetransport beruhender Konvek- tions-Parameter (Tυ, cc) entsprechend angepasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wdtere Berechnungselement (24) Teil des Körpers (2a, 2b, 2c), insbesondere Teil eines Werkstücks ist
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobd das Werkstück eine Karosserie (2a, 2b, 2c), insbe- sondere eine Fahrzeug-Karosserie ist
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobd das wdtere Berechnungsdement (5a) Teil eines wdteren Körpers, insbesondere eines Ofens (4) ist
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobd ein bestimmtes Berechnungsdement dann bzw. nur dann als ein die Anpassung des für das erste Berechnungsdement (21, 22) verwendeten Konvektions-Parameters Tυ, α) beeinflussendes wdteres Berechnungselement (24) verwendet wird, wenn das wdtere Berechungsdement (24) auf Sicht- linie (Tl) in Bezug auf das erste Berechungsdement (21, 22) liegt
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobd ein bestimmtes Berechnungsdement dann bzw. auch dann als ein die Anpassung des für das erste Berechnungselement (21, 22) verwendeten Konvektions-Parameters Tυ, α) beeinflussendes wdteres Berechnungselement (5a) verwendet wird, wenn das wdtere Berechungsdement (5a) nicht direkt auf Sichtünie (S^ in Bezug auf das erste Berechungselement (21, 22) liegt, jedoch ein Winkd (δ) zwischen einer im wesentlichen zwischen einer Kante eines die Sichtiinie (S^ unterbrechenden Berechnungsdemente (24) und dem wdteren Berechnungselement (5a) gezogenen Geraden (S) und einer Geraden (S^, welche im wesentlichen zwischen dem wdteren Berechnungsdement (5a) und der Kante gezogen wird, eine vorbestimmte Größe nicht überschrd- tet
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobd auf dem Körper (2a, 2b, 2c) eine zunächst flüssige Beschichtung bzw. ein Überzug aufgebracht ist
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobd die Stärke der Anpassung des für das erste Berechnungselement (21, 22) verwendeten Konvektions-Parameters Tu, α) davon abhängt, ob bzw. in welchem Ausmaß das erste Berechnungsdement (21, 22) des Körpers (2a, 2b, 2c) vom Körper selbst umschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobd mehrere Konvektions- Parameter verwendet werden, und zunächst nur die Höhe des die Umgebungstemperatur des ersten Berechnungsdement (21, 22) repräsentierenden Konvektions-Parameters T0) angepasst wird, jedoch nur indem Maße, dass ein vorbestimmter Parameter-Schwellwert (Tj) nicht überschritten wird.
10. Verfahren zur Simuktion von Wärmetransportprozessen, wobd ein Körper (2a, 2b, 2c) in mehrere Berechnungsdemente (21, 22) unterteilt wird, und wobd die Wirkung von durch Wärmestrahlung oder durch erzwungene Konvektion verursachtem Warmetransport in Bezug auf ein erstes Berechnungsdement (21, 22) unter Verwendung einer Formd abgeschätzt wird, bd der gegenüber einer üblicherweise zur Berechnung von durch frde Konvektion verursachtem W rmetransport in Bezug auf das erste Berechnungselement (21, 22) ver- wendeten Formd - abhängig von der auf automatisierte Weise ermittelten Lage des ersten Berechnungselements (21) in Bezug auf mindestens ein wdteres Berechnungsdement (24, 5a) — der Wert von mindestens einem in der Formd enthaltenen Parameter (Tυ, α) abgeändert wird.
11. Vorrichtung (11) zur Simuktion von Wärmetransportprozessen, welche so ausgestaltet und eingerichtet ist, dass durch sie ein auf einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 basiertes Wärmetransportprozess-Sirnuktions-Verfahren durchgeführt werden kann.
PCT/EP2003/000036 2002-01-03 2003-01-03 Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen WO2003056471A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP03706348A EP1461733A2 (de) 2002-01-03 2003-01-03 Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen
AU2003208318A AU2003208318A1 (en) 2002-01-03 2003-01-03 Device and method for simulating heat transport processes

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10200090A DE10200090A1 (de) 2002-01-03 2002-01-03 Vorrichtung und Verfahren zur Simulation von wärmetransportprozessen
DE10200090.5 2002-01-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2003056471A2 true WO2003056471A2 (de) 2003-07-10
WO2003056471A3 WO2003056471A3 (de) 2004-04-29

Family

ID=7711480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2003/000036 WO2003056471A2 (de) 2002-01-03 2003-01-03 Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1461733A2 (de)
AU (1) AU2003208318A1 (de)
DE (1) DE10200090A1 (de)
WO (1) WO2003056471A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202005001702U1 (de) * 2005-02-02 2006-06-14 Sata Farbspritztechnik Gmbh & Co.Kg Virtuelles Lackiersystem und Farbspritzpistole
WO2011006945A1 (de) * 2009-07-17 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur simulation eines betriebes einer technischen anlage anhand von zustandsgrössen
EP2998803A4 (de) * 2013-05-14 2017-02-01 Omron Corporation Simulationsverfahren, aufzeichnungsmedium mit darauf gespeichertem simulationsprogramm, simulationsvorrichtung und system

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644687A (en) * 1994-12-29 1997-07-01 International Business Machines Corporation Methods and system for thermal analysis of electronic packages

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10324919A (ja) * 1997-05-26 1998-12-08 Nkk Corp 加熱炉の設計方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5644687A (en) * 1994-12-29 1997-07-01 International Business Machines Corporation Methods and system for thermal analysis of electronic packages

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LINDHOLM D ET AL: 'A finite element method for solution of the three-dimensional time-dependent heat-conduction equation with application for heating of steels in reheating furnaces' NUMER. HEAT TRANSF. A, APPL. (UK), NUMERICAL HEAT TRANSFER, PART A (APPLICATIONS), TAYLOR & FRANCIS, UK Bd. 35, Nr. 2, 12 Februar 1999, Seiten 155 - 172, XP008028473 ISSN: 1040-7782 *
ZHANG H ET AL: 'An advanced numerical scheme for materials process modeling' COMPUT. MODEL. SIMUL. ENG. (USA), COMPUTER MODELING AND SIMULATION IN ENGINEERING, SAGE SCIENCE PRESS, USA Bd. 2, Nr. 3, August 1997, Seiten 322 - 343, XP008028450 ISSN: 1083-3455 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202005001702U1 (de) * 2005-02-02 2006-06-14 Sata Farbspritztechnik Gmbh & Co.Kg Virtuelles Lackiersystem und Farbspritzpistole
WO2011006945A1 (de) * 2009-07-17 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur simulation eines betriebes einer technischen anlage anhand von zustandsgrössen
EP2998803A4 (de) * 2013-05-14 2017-02-01 Omron Corporation Simulationsverfahren, aufzeichnungsmedium mit darauf gespeichertem simulationsprogramm, simulationsvorrichtung und system

Also Published As

Publication number Publication date
AU2003208318A8 (en) 2003-07-15
DE10200090A1 (de) 2003-07-24
AU2003208318A1 (en) 2003-07-15
WO2003056471A3 (de) 2004-04-29
EP1461733A2 (de) 2004-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT396217B (de) Vorrichtung zum anheizen von rohlingen aus thermoplastischem material
EP1976680B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objektes mittels eines beschichters für pulverförmiges aufbaumaterial
DE19907497C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Wärmebehandlung von Substraten
EP3285988B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE112014006196T5 (de) Erzeugen dreidimensionaler Objekte
DE102013004131B4 (de) Vorrichtung zum Behandeln einer Beschichtung einer Fahrzeugkarosserie
WO2021098898A2 (de) 3d-druckvorrichtung mit vorteilhafter bauraumgeometrie
DE102010023679B4 (de) Strahlungstrockner und Verfahren zum Betreiben eines Strahlungstrockners
DE102019007982A1 (de) 3D-Druckvorrichtung mit vorteilhafter Strahlereinheit und Verfahren
EP1461733A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur simulation von wärmetransportprozessen
EP2773914B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum temperieren von gegenständen
EP3922440A1 (de) Verfahren zur generierung eines bestrahlungssteuerdatensatzes für eine vorrichtung zur additiven fertigung
EP1762802B1 (de) Verfahren zur Trocknung einer auf einem Kraftfahrzeug-Bauteil aufgebrachten Lackschicht sowie Trocknungssystem hierfür
DE102017127148A1 (de) Bestrahlungsstreifensortierung
WO2020038688A1 (de) Verfahren zum additiven herstellen einer mehrzahl von kraftfahrzeugbauteilen
DE60209953T2 (de) Verfahren zur Mehrschichtbeschichtung
EP1468338B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur simulation von produktionsprozessen, insbesondere von oberfl chenbehandlungsverfahren
DE102011119733A1 (de) Infrarot-Trocknungsanlage
EP0203377A1 (de) Blastunnel zum Trocknen von lackierten Werkstücken
DE102012018296B3 (de) Verfahren und Anlage zum Beschichten von Gegenständen
AT520316B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Aufschäumen eines expansionsfähigen Partikelschaummaterials
WO2021074188A1 (de) Verfahren zum betreiben einer einrichtung zur additiven herstellung eines dreidimensionalen objekts sowie verfahren zum erstellen eines prozessfensters zur durchführung des vorgenannten verfahrens
EP1655121A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoff-Formfolien
WO2019201498A1 (de) Selektive nachbelichtung
DE102011116849B4 (de) Verfahren zum Kalibrieren einer Heizeinrichtung von Thermoformmaschinen

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2003706348

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 164291

Country of ref document: IL

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2003706348

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 164413

Country of ref document: IL

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 164536

Country of ref document: IL

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 164713

Country of ref document: IL

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP