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VPE (Fach) / Vorlesung8 (Lektion)

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• Definition und Grobgliederung der Simulation - „Nachbilden eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind“ (VDI-Richtlinie 3633) - Prognose des Systemverhaltens mit Hilfe von Modellen  - „Als ob“ - Durchspielen von Prozessen  Simulationsarten: physische Simulation, digitale Simulation
• Motivation / Gründe für die digitale Simulation in der Produktentwicklung • Frühe Verifikation und Absicherung des Produktverhaltens und der Prozesse  - Verkürzung der Entwicklungszeiten  - Geringere Änderungskosten  - Geringere Kosten in nachgelagerten Bereichen (Herstellung, Nutzung)  • Einsparung von Material und Ressourcen  • Optimierung der Produktparameter  • Geringe Kosten für physische Produktprototypen und -Versuche  • Leichtere Modifizierbarkeit von Produkteigenschaften  • Reproduzierbarkeit von Experimenten  • Vermeidung von Gefahrsituationen (z.B. Simulation eines Triebwerksausfalls beim Flugzeug)
• Zusammenhang Simulationsmodelle, Experimentiermodelle und Simulationsergebnisse sind eng integriert mit dem rechnerintegrierten Produktmodell (erweitertes 3D-CAD-Modell)  bidirektionale Assoziativität 
• Ablauf eines digitalen Simulationsprozesses Simulationsaufgabe definieren & verfahren auswählen  • Präzise Spezifikation des Problems  • Auswahl eines passenden Berechnungsverfahren Bildung des Simulationsmodells  • Idealisiertes, rechnerinternes Modell Simulationsdurchführung -Simulations-/Berechnungsergebnisse Ergebnisaufbereitung (-visualisierung) • Visualisierung  • Grafische Präsentation der Berechnungsergebnisse Ergebnisinterpretation  • Erkenntnisse  - besseres Produktverständnis  - Erkennen von Schwachstellen
• Softwaremodule Modellierer/ Preprozessor Simulationsprogramm (Löser/Solver)  Präsentationsmodell / Postprozessor Optiemurungsprogramm/ Assistenzsystem
• Simulationsaufgabe und -verfahren Die unscharfe Problemstellung muss in eine präzise Spezifikation überführt werden.  Simulationsverfahren auswählen:  Die spezifizierte Simulationsaufgabe liefert Anhaltspunkte zur Suche und Auswahl eines geeigneten Simulationsverfahrens.  Hauptauswahlkriterien sind:  - Art der zu berechnenden physikalischen Effekte/Zugehörigkeit zu den verschiedenen Fachdisziplinen  - Geforderte Aussagegüte der Simulationsergebnisse (je größer die Güte, desto komplexer in der Regel das Berechnungsmodell)  - Organisatorische Randbedingungen (z.B. IT-Umgebung, Qualifikation der Mitarbeiter
• Simulationsverfahren Festkörpermechanik  Feldmechanik  Strömungsmechanik Sonstige Simulationsverfahren 
• Mathematische Berechnungsmethoden analytische Lösungen : Geometrische Berechnungen, Mechanik-Festigkeitsberechnungen, Maschinenelement-Berechnungen Näherungs-Lösungen: • Finite-Elemente-Methode (FEM)  • Finite-Differenzen-Methode (FDM)  • Finite-Volumen-Methode (FVM)  • Mehrkörpersimulation (MKS) 
• Bildung von Simulationsmodellen (Modellierung) Aussagen über das Produktverhalten sind nur möglich, wenn eine formale Abbildung der physikalischen Vorgänge in einer von Rechnern bearbeitbaren Form vorliegt.  Diese Abbildung, die Modellbildung, abstrahiert die Darstellung eines realen Objektes. Es werden nur die relevanten Merkmale übernommen.  Ein Simulationsmodell ist eine modellhafte Beschreibung der Eigenschaften eines realen Produktes in Form von Berechnungsvorschriften.  Die Auswahl eines Simulationsverfahrens und die Bildung eines Simulationsmodells bedingen sich gegenseitig.
• Simulationsmodell (Ersatzmodell) Modellkomponenten und Modelltypen siehe vorlesung
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• Simulationsdurchführung Je nach Komplexität der Berechnungssaufgabe bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, eine Simulation (Berechnung) durchzuführen. Zur Berechnung stehen zur Verfügung:  - Einfache Hilfsmittel (z.B. Formulare, Tabellen, Taschenrechner) - Standardsoftware (z.B. Tabellenkalkulationsprogramme, Bibliotheken von Mathematikprogrammen) -Bibliotheken für Standardberechnungen in der Konstruktion - Firmen-, produkt- oder mitarbeiterspezifische Individualsoftware - Komplexe Simulationsprogramme auf Basis höherer numerischer Berechnungsverfahren (z.B. Mehrkörpersimulations-Systeme, Finite Elemente Methode)
• Ergebnisaufbereitung und -interpretation Interpretation und Bewertung von Berechnungsergebnissen erfolgen meist auf der Basis von graphisch aufbereiteten Darstellungen. Möglichkeiten zur Interpretation und Bewertung sind:  - Plausibilitätsbetrachtungen (ingenieurmäßige Abschätzungen)  - Vergleich mit Meßergebnissen aus Versuchen  - Variation von Parameterausprägungen und erneute Berechnung  - Vergleich mit ähnlichen Berechnungen durch Zugriff auf gespeichertes Erfahrungswissen
• Kinematik-Simulation: Übersicht Die Kinematik (gr. Kinema – Bewegung) untersucht die Bewegung starrer Körper ohne Berücksichtigung der Ursachen (Kräfte, Momente, Masse). Kinematische Systeme werden in ihrer gesamten Komplexität analysiert und dann zu einem vereinfachten Ersatzsystem abstrahiert.  Analyse-Aufgaben  - Ermittlung der Position von Teilen infolge von Verschiebungen und Drehungen  - Bewegungs-/Kollisionsanalysen  - Ermittlung von Trajektorien von beweglichen Teilen (Min-/Max-Positionen in ausgefahrenem Zustand)  - Ermittlung von Hüllflächen bei beweglichen Baugruppen  - Ermittlung von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen verschiedener beweglicher Teile und Punkte  Synthese-Aufgaben  - Auslegung von Getrieben, die bestimmte Bewegungen durchführen sollen
• Bausteine der Kinematik Ersatzmodelle Geometriemodelle von starren Körpern (ohne Berücksichtigung der Massen)  Gelenke (Freiheitsgrade der Bewegung zwischen zwei Körpern) F<6:Prisma Scharnier Zylinder Kugel  Kinematische Ketten :Ein Mehrkörpersystem gelenkig miteinander verbundener starrer Körper wird als kinematische Kette bezeichnet  
• Kinematik-Berechnungsverfahren Bindungsgleichungen (Längen-, Drehwinkeländerungen)    Nichtlineares Gleichungssystem 
• Beispiele für offene und geschlossene kinematische Ketten Bei einer offenen kinematischen Kette ist der Weg von einem Körper zu jedem beliebigen anderen Körper eindeutig bestimmt.  Bei einer geschlossenen kinematischen Kette ist jeder Körper Teil einer Mehrkörperschleife und jede Schleife hat mindestens einen Körper mit einer anderen Schleife gemeinsam.
• Dynamik-Simulation Dynamik: Untersuchung des Verhaltens beweglicher Systeme (Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung) unter Einwirkung von inneren und äußeren Kräften, sowie Momenten. Die Auslegung einzelner Bauteile (wie z.B. bei der FEM) reicht zum Gewährleisten der Funktionalität von großen und komplexen Baugruppen nicht aus. Im Zusammenspiel einzelner Komponenten kommt es oft zu technischen Problemen, z.B.:   • freie oder erzwungene Schwingungen während des Betriebs  • unvorhergesehenes Auftreten großer Kräfte   Die Gesamtfunktion technischer Systeme kann dadurch beeinträchtigt werden. Die geforderte Fehlertoleranz und Sicherheit können durch Auslegung und Absicherung einzelner Bauteile nicht gewährleistet werden.
• Anwendungsgebiete von Dynamik-Simulationen - Ermittlung der Kräfte und Momente bei beweglichen Systemen  - Ermittlung des dadurch verursachten Systemverhaltens  - Ermittlung des Schwingungsverhaltens eines technischen Systems  - Ermittlung von Eigenschwingungen von Teilen und Baugruppen 
• Mehrkörpersimulation Die Mehrkörpersimulation ist eine Methode, bei der reale Bauteile komplexer Baugruppen durch unverformbare massenbehaftete Körper abgebildet werden. Zusätzlich wird die Bewegungsfähigkeit der Körper zueinander durch idealisierte Verbindungselemente eingeschränkt. Kräfte greifen an diesen Körpern nur an diskreten Punkten an.  Anhand des oben beschriebenen Modells (Mehrkörpersystem) werden bei der Mehrkörpersimulation   kinematische (Bewegungsabläufe),   dynamische (Kräfte) und   Eigenanalysen (Eigenfrequenzen)  komplexer Baugruppen durchgeführt. 
• Dynamik-Simulation: Ersatzmodelle und Berechnungsverfahren Geometriemodell + Massen = Trägheitseigenschaften, Gelenke (wie bei Kinematik-Modellen) (Einschränkung der Freiheitsgrade)  Kraftstellglieder (Masselos, keine Einschränkung der Freiheitsgrade) Bewegungsgleichung  des Mehrkörpersystems    Differentialgleichungssystem  (nicht geschlossen lösbar)  Numerische  Methoden

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