MULTI-DOMAIN SYSTEM DESIGN

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1 research and test center MULTI-DOMAIN SYSTEM DESIGN Elektrisches Bordnetz NVH Thermisches Netzwerk Umgebung Integrierte Sicherheit Fahrdynamik Fahrer Batterie Antriebsstrang Domänen-übergreifende Co-Simulation Durchgängige Unterstützung des Entwicklungsprozesses Anspruchsvolle Synchronisations- und Kopplungsalgorithmen Multi-disziplinäre Co-Simulation für Gesamtfahrzeugoptimierung Weitere Informationen unter:

2 ICOS - die unabhängige Co-Simulationsplattform ICOS, eine innovative, am VIRTUAL VE- HICLE entwickelte unabhängige Co-Simulationsplattform ermöglicht die einfache In- tegration von CAE Modellierungstools aus verschiedenen Fachdisziplinen auf Basis modernster Kopplungs-Algorithmen. Dadurch können die komplexen Interaktionen der einzelnen Sub-Systeme vorhergesagt und das Gesamtfahrzeug optimiert werden. Thermisches Management Adaptive Sicherheitssteme Energiemanagement Batteriemanagement Integrierte Sicherheit FAHRZEUG FAHRER Antriebsstrang UMGEBUNG Fahrerunterstützung Umfeldsensorik Reglersysteme Umgebung Fahrer ICOS Funktionalität: Integration von Simulationswerkzeugen aus allen automotiv relevanten Domänen (z.b. Thermodynamik, NVH, Mechanik oder Elektronik) Unterstützung verschiedenster Applikationen wie etwa integrierte Sicherheit, Fahrdynamik, thermisches Management, hybride/elektrische Antriebe oder Rückhaltesysteme Neueste iterative und nicht-iterative Kopplungsalgorithmen zur Modellierung von Systemen mit niedriger als auch hoher Dynamik Adaptive Zeitschrittsteuerung zur Beschleunigung der Simulation, Optimierung des Datenaustausches und Unterstützung verschiedener Simulationszeitschritte Verfügbar für verschiedene Computerplattformen und Betriebssysteme Graphisches User Interface für eine einfache Konfiguration und Kontrolle der Co-Simulation

3 ICOS unterstützt durchgängig den gesamten Entwicklungsprozess ICOS unterstützt den virtuellen Entwicklungsprozess durchgängig. Dies ermöglicht die frühzeitige Analyse von Interaktionen der Sub-Systeme, was eine vorzeitige Systemverifikation erlaubt. Abhängig von vorhandenen Daten kann die Gesamtfahr- zeugsimulation mittels der unabhängigen Co-Simulationsplattform modular aufgesetzt werden. Antriebsstrang Motor Batterie Elektromotor Energie- Mgmt. Antriebsstrang Motor V 01 V 02 V 03 V 01 V 03 V 01 V 01 Entwicklungszeit, Datenverfügbarkeit ICOS Synchronisation & Datenaustausch: ICOS steuert die Simulationswerkzeuge und regelt den Datenaustausch ICOS gewährleistet eine adäquate Synchronisation und stellt entsprechende Methoden sowohl für parallele als auch sequentielle Simulationsläufe bereit. Verschiedene iterative bzw. nicht-iterative Synchronisationsmechanismen können ausgewählt werden. ICOS verfügt über eine optimierte, variable Steuerung der Simulationszeitschritte. Es enthält eine variable Zeitschrittsteuerung während der Co-Simulation, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. ICOS steigert die Performance der Gesamtsimulation durch intelligentes Scheduling und detektiert problematische Rückkopplungen. ICOS bietet sichere Authentisierungsmechanismen und Datenaustausch basierend auf fortschrittlichen kryptographischen Algorithmen.

4 Verfügbare Tools: Stand: Jan Matlab/SIMULINK Flowmaster LS-Dyna Abaqus SIMPACK AVL-CRUISE vedyna Adams Dymola/Modelica AVL-BOOST Kuli C/C++ Die Interfaces sind in C++ implementiert. Verschiedenste Technologien (COM, TCP/ IP, ) werden dabei unterstützt. Weitere Anbindungen können aufgrund der flexiblen Architektur auf Anfrage kurzfristig geschaffen werden. Aufgrund der Verwendung der Qt- Bibliothek von Trolltech und anderer Plattform-unabhängigen Libraries steht ICOS für verschiedenste Betriebssysteme (z.b. Windows, Linux, Unix) zur Verfügung. Architektur: ICOS basiert auf einer flexiblen Client-Server Architektur. Die verwendeten Simulationstools können auf beliebigen Rechnern im Netzwerk verteilt sein. Über einen Remote Server wird auf jedem Computer ein Kernel zur Steuerung des Datenaustausches und der Synchronisation der Simulatoren ausgeführt. Außerdem startet der Kernel den Tool-spezifischen. Dieser nimmt die notwendigen Datenkonversionen vor. Die Kommunikation zwischen GUI, Kernel und basiert auf TCP/IP. Anwendungsbeispiel: Kernel Remote Server AVL Cruise Kernel Remote Server LSDyna Kernel Remote Server Kernel Remote Server Matlab Dymola

5 Grafisches User-Interface: ICOS besitzt ein graphisches User Interface (GUI), das eine einfache Kopplung der einzelnen Simulationswerkzeuge und -modelle erlaubt. Darüberhinaus kontrolliert diese benutzerfreundliche Schnittstelle den Ablauf der Co-Simulation und zeigt den Fortschritt. Alle Parameter, die zwischen den Teilmodellen ausgetauscht werden, können überwacht und für spätere Auswertungszwecke gespeichert werden. Co-Simulation in 3 einfachen Schritten: 1. Configure Simulation Tool: Definition der zu verwendenden Modelle 2. Link Parameters: Verbindung von In- und Output Parametern 3. Simulation Control Center: Start & Kontrolle der Co-Simulation

6 Ein reales Anwendungsbeispiel: Design und Validierung eines Hybridfahrzeugs Ziel: Optimierung eines Serienhybrids mittels unterstützender SuperCap bezüglich Lebensdauer. Herausforderung: Kopplung elektronischer, thermodynamischer und mechanischer Modelle Verbindung hochdynamischer Prozesse (z.b. Regler) mit langsamen (thermischen) Vorgängen Berücksichtigung des realen Fahrzyklus Set-Up der Co-Simulation: Elektrisches System: Powerelektronik, elektrischer Motor, Li-Ionen Batterie (LiB), SuperCap, Bordnetz Andere Komponenten: Antriebsstrang, Rollwiderstand, Aerodynamik, Trägheit, etc. Auslegung des kaskadierten Reglers (Bordnetzregler mit unterlagerter Temperaturkontrolle) für Batterietemperatur < 40 C AVL-CRUISE MATLAB Kuli Dymola AVL-CRUISE MATLAB Fahrer Batterie Kühlsysteme Elektromotor Umgebung Energie- Management Ergebnis: Komplexes Hybridsystem virtuell darstellbar Batterietemperatur bleibt unter allen Betriebsbedingungen unter 40 C Durch gekoppelte Simulation Ermittlung eines optimalen Reglers Elektronik, Energiemanagement und Fahrdynamik im Gesamtsystem abgebildet

7 Beschleunigung (g) Kraft (kn) Ziel: Ein reales Anwendungsbeispiel: Integrierte Sicherheit Entwurf und Optimierung eines aktiven, adaptiven Rückhaltesystems. MATLAB Sensoren Adams Fahrdynamik LS-Dyna Crash MATLAB Regler Herausforderung: Heutige Sicherheitssysteme in modernen Fahrzeugen bestehen aus eng verbundenen elektronischen und mechanischen Systemen; d.h. sie sind komplexe mechatronische Systeme. Daher bedingen sie einen integrierten Simulationsansatz. Insbesonders müssen Finite Elemente (FE) Simulatoren für Crash Berechnungen mit komplexen Reglersystemen gekoppelt werden. Set-Up der Co-Simulation: Modellierung des Lastfalls, z.b. Frontalanprall Einbindung Sensorik und Aktuatorik in die explizite FEM Aufbau Regelalgorithmen Kopplung von LS-Dyna mit Matlab/Simulink Bestimmung relevanter biomechanischer Kennwerte Optimierung des adaptiven Rückhaltesystems Adaptive Lastbegrenzung v= 56kph Ergebnis: Gurtkraft Zeit (s) Simulatorische Abbildung komplexer mechatronischer Systeme mithilfe der expliziten FEM Beschleunigung in x v=56kph Zeit (s) Referenzgurt Adaptiver Gurt Durchgängige virtuelle Entwicklungsmethode zur Auslegung und Optimierung integrierter Sicherheitssysteme

8 research and test center Schwerpunkte: Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten der 135 Mitarbeiter am VIRTUAL VEHICLE liegt auf der Entwicklung neuer Technologien, Methoden und Werkzeuge einzelner CAE- Disziplinen, der virtuellen Produktentstehung, der multidisziplinären Optimierung sowie der gekoppelten Simulation. Angewandte Forschung sowie geförderte Forschungsprojekte mit Brückenfunktion zwischen Universität und industrieller Vorentwicklung stehen dabei im Mittelpunkt. Das Netzwerk umfasst über 45 renommierte Industriepartner (u.a. Audi, AVL, BMW, DAIMLER, MAN, MAGNA Steyr, Porsche, Siemens) sowie mehr als 35 universitäre Forschungsinstitute weltweit. Förderung: Gebündelte Kompetenz: Die Verknüpfung der am VIRTUAL VEHICLE bestehenden Kompetenzen bildet eine einzigartige Forschungsplattform: Etabliertes Simulations-Know-How in den Bereichen Mechanics, Thermodynamics, NVH & Friction, Vehicle E/E & Software und System Design & Optimisation Test- und Prüfstände zur Validierung der Simlationsergebnisse - von komplexen Systemen bis zu Einzelkomponenten Umfassendes internationales Netzwerk an wissenschaftlichen Partnern und Industriepartnern COMET K2 Forschungsförderungsprogramm - Gefördert durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT), das Österreichische Bundesministerium für Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbh (FFG), das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG) Die 5 Forschungsbereiche des VIRTUAL VEHICLE: Aerodynamics & 3D Simulation Vehicle Safety Thermal Management & 1D Simulation Materials & Forming Technologies Mobile Air Conditioning Exhaust Gas Aftertreatment Vehicle Dynamics - Automotive Vehicle Dynamics - Rail Systems Coupling & Thermal Radiation NVH Material and Technology Vehicle Electrical System Design Friction Loss and Vibration Reduction Advanced Modelling and Validation Vehicle Noise Reduction New Processes and Methodology Flow Acoustics Integrative Development Aspects Embedded Systems Development System Support Information Management Kontakt & Information: Univ.-Doz. Dr. Daniel Watzenig Tel.: Fax: DI Dr. Hannes Stippel Tel.: Fax: Managing Director: Dr. Jost Bernasch Scientific Director: Prof. Dr. Hermann Steffan Kompetenzzentrum Das virtuelle Fahrzeug Forschungs-GmbH. Inffeldgasse 21A, 8010 Graz, AUSTRIA

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