Virtual Product Development: CAE-Bench bei der BMW Group Daten- und Prozessmanagement mit System

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1 Virtual Product Development: CAE-Bench bei der BMW Group Daten- und Prozessmanagement mit System Eine ständig wachsende Produktvielfalt, immer höhere Qualitätsansprüche an die herzustellenden Produkte und ein steigender Termin- und Kostendruck haben in vielen Industrien dazu geführt, dass Entwickler und Hersteller bei der Entwicklung neuer Produkte verstärkt virtuelle Simulationen und Analysen nutzen, bevor ein realer Prototyp gebaut wird. Hierbei sind es wieder einmal die Automobilhersteller, die an vorderster Front stehen, wenn es um die Verwirklichung von Visionen und den Einsatz neuer Technologien geht. Seit über 30 Jahren setzt die BMW Group Computer Aided Engineering (CAE) ein, um neue Produkte immer schneller, besser und sicherer zu entwickeln. Virtual Product Development (VPD) ist das aktuelle Schlagwort und steht für den Prozess, mit dem Produkte bereits vor der Erstellung eventueller Prototypen Zeit und Kosten sparend virtuell im Computer auf ihre Funktionsfähigkeit getestet werden können. Grundlage für effektives VPD bildet neben entsprechender CAE-Software auch ein systematisches Daten- und Prozessmanagement sowie eine passende IT-Infrastruktur. Die BMW AG war eines der ersten Unternehmen der Automobilindustrie, das diesen Bedarf erkannte und den Einsatz eines entsprechenden Systems prüfte. Die Wahl fiel damals auf CAE-Bench, ein System, das heute von MSC.Software weiterentwickelt und vermarktet wird und von seinen Anfängen bis heute von der BMW Group mit ausgearbeitet und implementiert wurde. Dieser Artikel beschreibt, wie aus der Vision von einem Simulations- Daten-Management-System Realität wur- 6 CADCAM 3/2004

2 de und wie ein System entstand, das erfolgreich eingesetzt und weiterentwickelt wird. Die Vision Für den Bedarf und die Realisierung eines Simulations-Data-Management-Systems standen gleich mehrere Anforderungen und Konzepte Pate: Zum einen wuchs in der BMW-Abteilung Entwicklung Karosserie mit den Hauptprozessen NVH und Crash der Wunsch, Ergebnisse aus den CAE-Disziplinen so aufzuarbeiten, dass sie verständlich und nachvollziehbar sind, so dass ein komplettes Fahrzeugprojekt überschaubar und für alle, auch für nicht CAE-Anwender, einsehbar gestaltet wird. Zum anderen gab es bereits in vielen anderen Bereichen der Produktentwicklung umfangreiche Bestrebungen und Aktivitäten, das Thema Datenmanagement mit kommerziellen Lösungen und visionären Ansätzen zu bedienen. Der Bedarf für ein solches System war daher auch im CAE-Umfeld offensichtlich. Bei den besonderen Anforderungen im CAE- Mit hochentwickelter Software und leistungsfähiger Hardware entstehen mehr Einsatzmöglichkeiten für die Simulation. Die Modellgenauigkeit und auch die Anzahl der Varianten, die getestet werden können, steigen rapide an. Die Vision: Ergebnisse aus den CAE-Berechnungen sollen so aufbereitet werden, dass sie auch für CAE-Anwender verständlich und nachvollziehbar sind.

3 Bild 3 (bleibt) CAE-Bench übernimmt das komplette Datenmanagment und unterstützt den Anwender durch standardisierte und automatisierte Abläufe. CAE-Spezialisten werden durch effizientes Datenmanagement und teilweise automatisierte Prozessschritte beim Durchrechnen von Variantenbäumen ( What-if Szenarien ) unterstützt. Bereich und speziell in der Karosserieberechnung war jedoch eine effiziente Datenverwaltung mit der bis dahin üblichen Vorgehensweise nicht mehr möglich. Die anfallenden Daten rund um eine Berechnung waren zwar in Papierform in Ordnern abgeheftet, jedoch nicht immer strukturiert abgelegt und somit nicht sofort zuzuordnen. Wurden die gesuchten Ergebnisse schließlich gefunden, waren dennoch eindeutige Aussagen zu einer Berechnung meist nur erschwert möglich, da keine systematischen und durchgängigen Informationen darüber vorlagen, woher Daten stammen, auf welchem Konstruktionsstand sie beruhten und mit welcher Parametrierung die Berechnungen durchgeführt worden waren.»wir haben schnell erkannt, dass wir unsere ganze Arbeitsweise viel strukturierter angehen müssen. Die Idee war, die Daten aus der numerischen Simulation so aufzubereiten, dass nicht nur die Daten selbst, sondern auch die Entstehungsprozesse jederzeit abrufbar sind. Da die Datenmenge der Rohdaten sehr groß ist und die langfristige Aufbewahrung der permanent steigenden Datenbestände hohe Kosten verursacht, muss der Datenbestand intelligent auf einen für die Geschäftsprozesse relevanten Kernbestand reduziert werden«, führt Jochen Hägele, verantwortlich für IT-Prozesse Karosserie bei der BMW Group, aus. Mit CAE-Bench fand die BMW Group ein System, mit dem Ergebnisse so aufbereitet werden konnten, dass es sowohl für die Beteiligten aus Konstruktion und Versuch als auch für das Manage-

4 ment jederzeit möglich ist, auf diese Ergebnisse unter ihrem ganz individuellen Blickwinkel zuzugreifen. So groß der Druck auf die Berechnungsingenieure angesichts der steigenden Anforderungen oft ist, so komplex und vielschichtig ist auch das Konzept von CAE- Bench: Das Hauptziel bei der Entwicklung und Einführung des Systems bestand in einer Entlastung bei routinemäßigen Tätigkeiten, so dass der Berechner den notwendigen Freiraum erhält, seine Kompetenz fokussiert und effizient einzusetzen und so Zeit für das eigentliche Engineering und Ausloten neuer, zielführender Ideen gewinnen kann: Das System soll das komplette Datenmanagement übernehmen und den Anwender durch standardisierte und automatisierte Abläufe unterstützen. Eine weitere Aufgabe von CAE-Bench ist es, die Herkunft und Verwendung von CAE-Daten lückenlos zu dokumentieren, beispielsweise auf Knopfdruck den Zusammenhang zwischen Konstruktionsständen und zugehörigen Berechnungsmodellen nachvollziehbar darstellen zu können. Zudem sollte die Einführung von CAE- Bench die interaktive Kommunikation zwischen allen Projektbeteiligten vorantreiben und für Konstruktion, Berechnung, Versuch, Management und externe Partner den einfachen, transparenten Zugriff auf relevante Informationen der Simulation und eines Projektes ermöglichen. Den Spezialisten soll das System mit effizientem Datenmanagement und teilweise automatisierten Prozessschritten beim systematischen Durchrechnen von What-if-Szenarien (Variantenbäumen) unterstützen. Und schließlich zielte die Einführung von CAE- Bench auch auf den Aufbau einer CAE-Wissensbibliothek. Ein konsequentes und systematisches Archivierungskonzept soll dafür sorgen, dass die Berechnungsdaten und gewonnenen Erkenntnisse nach Projektschluss nicht zu den Akten wandern, sondern jederzeit zugänglich für DataMining- Tools bleiben, und somit übergeordnete Erkenntnisse und Korrelationen, auch zwischen alten und neuen Modellen, sichtbar gemacht werden können, so dass das einmal gewonnene Wissen erhalten bleibt und wiederverwertbar wird. Integrierter Service für Soft- und Hardware Der reibungslose Betrieb dieses komplexen und gut angenommenen Systems CAE- Bench wird durch eine geeignete Hardwareinfrastruktur sowie einen erfahrenen Partner, der die Gesamtverantwortung für die Implementierung und den Systembetrieb trägt und als Ansprechpartner für alle Fragen zur Verfügung steht, sichergestellt. Als Generalunternehmer hat MSC.Software die Gesamtlösung entwickelt, die Migration von alter zu neuer Infrastruktur durchgeführt und ist nun für die Betreuung des kompletten Systems bei BMW verantwortlich. Im Rahmen dieser Generalunternehmerschaft bietet MSC.Software zum einen einen 24-Stunden-/7-Tage-Service für den Betrieb der Infrastruktur und zum anderen einen On-Site-Support für Fragen der Anwender.»Die Anwenderbetreuung und der 24-Stunden-/7-Tage-Service sind erfolgreich umgesetzt. Der Service ist immer erreichbar, Probleme werden frühzeitig festgestellt, umgehend bearbeitet und schnellstmöglich behoben«, stellt Thomas Wagner aus der Abteilung Betriebslösungen und Änderungsmanagement bei der BMW Group fest.»die Reimplementierung beinhaltete zwei Dienstleistungsmodule. MSC.Software übernahm die Implementierung beziehungsweise Migration des Systems mit Software und Daten und betreut nun das System inklusive der speziell eingesetzten Hard- und Software.«Die gesamte Infrastruktur mit Soft-, Hard- und Middleware ist hochverfügbar ausgelegt. MSC.Software hat ein umfassendes automatisches Monitoring aufgebaut, so dass bei einer eventuell auftretenden Störung sofort der Service in Aktion treten kann. Auch nachts und am Wochenende kann so die Störung behoben werden, bevor der Anwender das nächste Mal auf CAE-Bench zugreifen möchte. Ausschlaggebend für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems bei den enormen Anforderungen (pro Jahr laufen bei der BMW Group tausende Berechnungen über CAE-Bench) ist selbstverständlich auch eine adäquate IT-Infrastruktur für die Applikationsumgebung. BMW hatte sich vor 4 Jahren zunächst für zwei spiegelbildlich aufgebaute Server mit einem automatischen Fail-over-System entschieden. Dieses System bedurfte einer Erneuerung, da die Anforderungen an CAE-Bench im Laufe der Jahre stark angestiegen waren. Für das neue System gelten noch höhere Anforderungen an Verfügbarkeit, Performance und Kapazität. System und Service mussten skalier- und erweiterbar konzipiert werden, so dass auch zukünftig weiter wachsenden Anforderungen adäquat Rechnung getragen werden kann. Die Hardwarekomponenten, Systemdienste und Betriebsprozesse sollten daraufhin abgestimmt werden, dass weitestgehend die BMW-Group-Data-Center Standards bzgl. Infrastruktur und Betrieb verwendet werden können. BMW hat sich bei der neuen Infrastruktur für eine verteilte statt der vorhergehenden monolithischen Architektur entschieden. Der gesamte Migrationsprozess sollte von einem Generalunternehmer durchgeführt und betreut werden. MSC.Software hat diese Aufgabe übernommen und die aufwändige Migration vom altem zum neuen System bis Ende 2003 abgeschlossen. Bei dieser schwierigen Aufgabe wurden über ein Wochenende bei minimaler Störung des produktiven Betriebes ca archivierte und aktuelle Simulationsergebnisse mit ca. 7 Mio. Dateien und einer Datenmenge von ca. 15 Terabyte bewegt und migriert. Die heute verteilte Architektur mit vielen unterschiedlichen Rechnern für die einzelnen Aufgaben ermöglicht es nun, entsprechend flexibel in der weiteren Skalierbarkeit zu sein. Komponenten und Knoten können problemlos hinzugefügt werden, so dass das System in der Zukunft einfacher erweiterbar ist als das frühere monolithische System.»Früher liefen auf unseren beiden Servern alle Dienste, die CAE-Bench benötigt Fileserving, Datenbank, Auswertung, Webserver und Lastverteilung. Jetzt sind die Diens- CADCAM 3/2004 9

5 Die gesamte Infrastruktur mit Soft-, Hard- und Middleware ist hochverfügbar ausgelegt. Hardware Im einzelnen setzt sich das System wie folgt zusammen: die Linuxmaschinen, die 4 Webserver, die 16 Auswerteserver sowie die beiden Datenbankserver, das Storagesystem und der so genannte Managementknoten für das Monitoring wurden von HP geliefert. Weitere Berechnungsserver sind IBM-Serversysteme für Modelltesselierung. Als Fileserver werden Systeme von SUN Microsystems mit einer Software für hierarchisches Speichermanagement (HSM) eingesetzt (SAM-FS, ebenfalls SUN Microsystems). Als Bandbibliotheken sind die BMW Datensicherheitsarchive angebunden. Als Hochverfügbarkeitslösung (HA-Cluster) wird für die SUN-Fileserver die Software Veritas Clusterserver (VCS), für die HP-Datenbankserver die Software HP MC/ServiceGuard eingesetzt. Das Netzwerk basiert auf der BMW-Standard-Rechenzentrums-Netzwerk-Infrastruktur (Gigabit). te auf dedizierte Hardwaresysteme verteilt«, erläutert Herr Hägele die Hardwarestruktur. Durch die Verteilung auf mehrere Knoten werden Leistungsfähigkeit, Auslastung, Verfügbarkeit und Skalierbarkeit optimiert. Kein Alleingang Je mehr Ziele mit CAE-Bench erreicht wurden, desto deutlicher wurde die Notwendigkeit eines Ausbaus des Systems. Mit der BMW Group als aktivem Entwicklungspartner der ersten Stunde ist CAE-Bench bis heute ein Projekt, das sich ständig weiterentwickelt und wertvolles Innovationspotenzial freisetzen kann. Da das System nicht als Einzellösung für nur ein Unternehmen gedacht war, setzte die BMW Group von Anfang an auf eine partnerschaftliche Entwicklungsarbeit, auch mit anderen Automobilherstellern. Möglich ist eine solche Zusammenarbeit unter anderem durch die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von CAE-Bench, die sich durch die verschiedenen Möglichkeiten der Softwareauswahl und -integration in das System ergeben. CAE-Bench wurde von Anfang an so strukturiert, dass die entwickelten Bausteine des Systems generisch gehalten wurden und somit in den verschiedensten Unternehmen eingesetzt und den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden können. Neben diesen generischen Bausteinen, die vom Anbieter des Systems entwickelt und weiter vermarktet werden können, gibt es im Anwendungsfall BMW auch spezielle BMW-Bausteine, für die BMW die Kosten trägt oder die komplette Entwicklung durchführt und damit alleiniges Nutzungsrecht hat. Auf diese Weise kann CAE-Bench auf die direkten Bedürfnisse des Unternehmens abgestimmt werden. Auch die Anbindung anderer CAE- Prozesse oder die Aktualisierung einer an CAE-Bench angebundenen Software ist kein Problem. Mit Skripten muss lediglich die Ergebnis- und Reportgeneration angepasst werden. Nutzen auf mehreren Ebenen Obschon die Entwicklung und Einführung eines Simulation-Data-Management- Systems wie CAE-Bench äußerst komplex ist und auch für die BMW Group eine große Herausforderung darstellte, stieß die Grundidee von Anfang an auf eine hohe Akzeptanz, denn der Bedarf für ein solches

6 System war in den Berechnungsabteilungen vorhanden. Die aufkommenden Datenmengen können dort mit einem System wie CAE-Bench besser überschaut und genutzt werden, da auch die zum Nachvollziehen einer Simulation erforderlichen Informationen rund um ein Projekt gespeichert und zur Verfügung gestellt werden können. Auch die Folgearbeit, wie beispielsweise die Auswertung der Simulationen, kann CAE-Bench vereinfachen und beschleunigen, denn mit jeder Berechnung werden Standardauswertungen und Berichte generiert. Früher musste der Anwender anhand eines Ergebnisfiles die Auswertung selbst durchführen, das heißt manuell oder mit einfachen Skripten an den Ergebnissen arbeiten und einen Report erstellen. CAE-Bench automatisiert diesen Ablauf: Sobald eine Berechnung abgeschlossen ist, erfolgt eine Standardauswertung mit CAE-Bench. Je vollständiger die Prozesse für eine Standardauswertung vorab integriert werden und je genauer die Auswertung selbst definiert wird, um so weniger muss der Ingenieur nacharbeiten. So können unter anderem per Mausklick Varianten verglichen und wichtige Informationen wie zum Beispiel darüber, wie sich die Varianten untereinander unterscheiden, und der Variantenbericht abgerufen werden.»mit den Reports, die in CAE-Bench erstellt werden, kann der Ingenieur auch schnell eine Variante hinzunehmen oder Varianten austauschen. Das funktioniert auf Knopfdruck. Der Nutzen liegt klar auf der Hand, wenn man vergleicht, wie lange der Anwender früher an einem Bericht gearbeitet hat, als er den Vergleich selbst führen musste«, erläutert Herr Hägele. Die Nachvollziehbarkeit von Ergebnissen und die Datentransparenz erhöhen sich mit CAE-Bench ebenfalls beträchtlich. Dies wird vor allem dann deutlich, wenn, wie bei BMW, auch Zulieferer oder externe Servicefirmen auf CAE-Bench zugreifen können und müssen. Hierfür können bei CAE-Bench unterschiedliche Zugriffsrechte vergeben werden. Werden Ingenieuraufgaben von externen Partnern durchgeführt, können diese Zulieferer oder Serviceanbieter auf das webbasierte CAE-Bench-System direkt zugreifen, die erforderlichen Daten einsehen beziehungsweise eingeben und die Berechnung durchführen. Die Ergebnisse können dann von internen BMW-Mitarbeitern freigegeben und dem entsprechenden Projekt in CAE-Bench hinzugefügt werden. Im System ist transparent, woher die Daten stammen und wie sie in das Projekt einfließen. Darüber hinaus können auch für interne Mitarbeiter mit unterschiedlichen Aufgaben unterschiedliche Rollen und Zugriffsrechte vergeben werden. In der Anfangsphase eines Projektes kann beispielsweise nur die Projektgruppe eines Aufgabenbereiches auf die jeweiligen Daten zugreifen, sie bearbeiten und verwalten. Mit Fortschreiten des Projektes können die Berichte dann freigegeben werden, um sie so beispielsweise auch dem mittleren Management zugänglich zu machen. Um auch dem Projektleiter eines kompletten Fahrzeugprojektes einen schnellen Ein- und Überblick zu geben, hat BMW innerhalb von CAE-Bench ein eigenes System entwickelt, das mit geringem Aufwand darstellen kann, wo das zu entwickelnde Fahrzeug hinsichtlich seiner funktionalen Anforderungen steht. Für die übersichtliche Darstellung des Projektstatus griff man auf das Ampelprinzip zurück.»eine Ampel zeigt den Status farbig an zum Beispiel grün bei Zielerfüllung. Klickt man auf die Ampel, kann man den eigentlichen Bericht in CAE-Bench einsehen und erhält so weitere Informationen«, erläutert Herr Hägele. Auf diese Weise kann das Management mit einem Blick erkennen, welche Funktionen zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Zielwerte erfüllen beziehungsweise wo noch Handlungsbedarf vorhanden ist. Da die einzelnen Bewertungen immer wiederkehrend durchgeführt werden, ergeben sich für die einzelnen Funktionen über die Entwicklungszeit gesehen entsprechende Tendenzen. Das Projektzielemanagement wird hierdurch unterstützt. Die Zukunft von CAE-Bench bei BMW Die nächste Herausforderung für CAE- Bench bei der BMW Group ist die direkte Anbindung an das System PDM-CAE, in welchem alle nichtgeometrischen Kenngrößen wie Masse, Schwerpunktslage, Trägheitstensor etc. dokumentiert sind, um die Modellaufbereitung noch effizienter gestalten zu können. Im geplanten PDM (Product Data Management)- Backbone -Projekt könnte CAE-Bench eine wichtige Rolle als Bindeglied zu Simulationsdaten der funktionalen Integration zukommen, denn es weist bereits jetzt die dafür erforderlichen Funktionalitäten auf.»man müsste es allerdings noch an unser PDM-System anbinden und CAE-Bench bei BMW einem noch breiteren Einsatz zuführen«, erklärt Herr Hägele, der das System CAE-Bench zur Zeit auch in anderen Abteilungen vorstellt. Auch bezogen auf die IT-Infrastruktur ist eine ständige Weiterentwicklung unabdingbar.»die aktuelle Installation wurde so ausgelegt, dass die voraussichtlichen Anforderungen der nächsten drei Jahre abgedeckt werden können. Spätestens dann werden durch immer detailliertere Berechnungsmodelle, Variantenvielfalt, komplexere Berechnungen und letztlich auch eine wachsende Zahl von Anwendern und eingebundenen Abteilungen Erweiterungen erforderlich«, führt Herr Wagner aus. Grundsätzlich hat CAE- Bench eine hohe Akzeptanz erreicht. Ideen für die Weiterentwicklung gibt es viele. 12 CADCAM 3/2004