Jürgen Panzer. Referenzmodell für den kooperativen Simulationsdatenaustausch Vorgehensmodell zur Erstellung des Referenzmodells

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1 Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Jürgen Panzer Referenzmodell für den kooperativen Simulationsdatenaustausch Vorgehensmodell zur Erstellung des Referenzmodells Schriftenreihe VPE Band 5 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner

2 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über dnb.ddb.de abrufbar. Bibliographic information published by Die Deutsche Bibliothek Die Deutsche Bibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data is available in the Internet at Herausgeber: Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner Postfach 3049 Technische Universität Kaiserslautern, Gebäude 44 D Kaiserslautern Verlag: Technische Universität Kaiserslautern Druck: Technische Universität Kaiserslautern ZBT Abteilung Foto-Repro-Druck D-386 Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Kaiserslautern 2008 Alle Rechte vorbehalten, auch das des auszugsweisen Nachdrucks, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe (Photographie, Mikroskopie), der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und das der Übersetzung. Als Manuskript gedruckt. Printed in Germany. ISBN ISSN

3 Referenzmodell für den kooperativen Simulationsdatenaustausch. Vorgehensmodell zur Erstellung des Referenzmodells Vom Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Technischen Universität Kaiserslautern zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Jürgen Panzer aus Graz Vorsitzender der Prüfungskommission: Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl 1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner 2. Berichterstatter: Prof. Dr. techn. Wolfgang Hirschberg Tag der mündlichen Prüfung: Kaiserslautern 2008

4 Abstract The current situation in the automotive industry is characterised by an increase in virtualisation and distributed development. Ensuring that the required vehicle funtions are actually provided is one of the key aspects of product developent. Today, new or optimised numeric simulation methods are being used to partially or completely replace physical prototypes by virtual ones. This leads to the sharing of development tasks with partners, both within the company or outside it, and the need for cross enterprise, interdisciplinary integration of all partners into the vehicle development process. To master these challenges more effectively, it is necessary to implement process-oriented synchronisation and data exchange among the development partners. While today s efforts in research and practice mainly focus on the consolidation of geometry data management or on the administration of simulation data in PDM systems, process oriented data exchange models/systems are still in their infancy. Methods and standards for systematic, process-oriented and IT-supported simulation data exchange yet need to be developed. This thesis describes a conceptual virtual prototype reference model (VPT reference model). This VPT reference model acts as a neutral interface between development partners in distributed functional development environments during all phases of product development. Mappings allow internal and external partners to exchange process information and (simulation) data irrespective of the particular systems or methods used by the individual development partners. Operational sequences concerning virtual validation can be divided into the four levels of processes, practices, systems and data. It becomes evident that information exchange is only necessary on the process and data levels, for which the VPT reference model acts as a neutral interface between development partners. Know how and system specifications remain covered. The VPT reference process coordinates and synchronises the partner-specific processes. A standardised VPT reference data model provides a basis for the structured transfer of data that comes up in cooperative simulation and describes the data in the context of the VPT reference process. Additionally, the data exchange is described by data synchronisation points and interaction scenarios. The VPT reference process is subdivided into over 50 steps (including selected milestones and data synchronisation points) and represents the key part of the cooperation. It also provides a template for the communication between the development partners. The phase model of the VPT reference process is based on six phases and complements the classic preprocessing-solving-postprocessing approach of CAE with data management aspects. VPT synchronsiation points set a timeline for a well definied data exchange in the context of the VPT reference process. They describe for example when FE meshes have to be provided during the simulation process, or when raw data has to be available for subsequent processing.

5 The VPT interaction scenarios define templates for the interaction of process partners and provide a basis for controlling the cooperative simulation. This is possible because the cooperation between simulations engineers of different departments, sites and companies generally follows certain patterns. Each of these interaction scenarios is described by a starting point and the data delivered at this point, an end point and the data passed back. For the present perspective of the VPT reference model six scenarios are defined which can be supplemented with further interaction scenarios whenever necessary. On this basis, standardised messages are derived, which actually implement the data exchange and therefore act as a link between process and data model. Not only start- und target-data can be passed at the right time, but also missing data or the reworking of unsatisfactory simulation results can be requested. This allows for a continuous simulation process execution. Any information exchanged via the VPT reference model feeds into the VPT data model. Additionally the different data models of the examined VPT application- and data management systems are analysed, paying special attention to what data has to be exchanged between development partners during VPT tasks. In order to benefit from synergies with established standards, the possibility of mapping the data objects defined in the VPT reference data model onto STEP AP214 is examined. This first conceptual mapping however shows that an exhaustive mapping is currently unrealiseable. Experiences gained by a prototype implementation for a selected automotive use case pedestrian safety clearly show that the VPT reference model is suitable for bi-directional data exchange with one or multiple partners in a vehicle development process. Besides the danger of data loss without the use of a simulation data management system, it becomes evident that exchanging data without knowing the participating systems in advance is extremely difficult even when using a neutral data format. Different ranges for attribute values and - even much more complicated - free text attributes can make automated data exchange virtually impossible because they can not be interpreted correctly. Last but not least, the implementation of a VPT reference model leads to cost savings by reducing process diversity and the number of communication variants between OEMs and suppliers. Time and costs for linking heterogeneous systems can be minimized. For typical interaction scenarios in cooperative simulation (e.g. external meshing), the VPT reference model provides already defined templates which can be used out-of-the-box. iv

6 Vorwort An dieser Stelle möchte ich mich zuerst bei meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing Martin Eigner, sowie bei Herrn Prof. Dr. techn. Wolfgang Hirschberg für die Übernahme der Rolle des Zweitbegutachters bedanken. Die Grundlagen für die vorliegende Dissertation wurden in einem Forschungsprojekt am Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug (vif) zwischen Sommer 2005 und Sommer 2006 erarbeitet. Projektkoordinator seitens des Auftraggebers der Industrie (MAGNA STEYR Fahrzeugtechnik) war Herr DI(FH) Bernhard Giptner, die Projektleitung am Kompetenzzentrum hatte Herr Dr. Bernd Wiermeier inne. Als Projektmitarbeiter arbeiteten Herr DI Markus Hofer und ich an der Konzeption des Modells, wobei Herr Hofer die Verantwortung für den VPT-Referenzprozess übernahm, während ich für alle Belange betreffend das VPT-Referenzdatenmodell zuständig war. Gemeinsam mit Herrn Hofer arbeitete ich an der Aufnahme und Erstellung des Referenzprozesses, da der Prozess die Grundlage für das Datenmodell bildete. Nach meinem Wechsel vom Kompetenzzentrum zu MAGNA STEYR im Oktober 2005, wo ich für das Simulationsdatenmanagement zuständig war, konnte ich vermehrt meine Erfahrung beim Industriepartner und Aspekte des Datenmanagements einbringen und den ersten Entwurf für das VPT- Referenzdatenmodell erstellen. Durch Herrn Dr. Günter Staub als Berater konnte ich das notwendige STEP-Know-How erlangen und mit seinem Coaching das erste konzeptionelle Mapping des VPT-Referenzdatenmodells auf STEP AP214 durchführen. Nach Ende der Projektlaufzeit führte ich mit dem Ziel der Dissertation die Arbeiten in Eigenregie fort. Durch Kontakte zu einem namhaften OEM und zum Kompetenzzentrum - Das virtuelle Fahrzeug konnte ich die notwendigen Daten und Informationen für prototypische Implementierungen sammeln und diese auch umsetzen, um das VPT-Referenzmodell zu verifizieren. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse, sowie weitere Erfahrungen meiner Zusammenarbeit mit den unterschiedlichen Simulationsdisziplinen bei MAGNA STEYR flossen wieder zurück in das VPT- Referenzmodell und führten bis Herbst 2007 zu weiteren Überarbeitungen und Ergänzungen. Im Anschluss daran verdichtete ich die Forschungsergebnisse zu der vorliegenden Arbeit, die ich schließlich im Juni 2008 am Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) der Technischen Universität Kaiserslautern einreichte. Mein Dank gilt daher weiters DI Markus Hofer, DI(FH) Bernhard Giptner, Dr. Bernd Wiermeier, Dr. Bernd Fachbach und Dr. Günther Staub, DI Harald Schluder, DI Stefan Bauer sowie allen anderen Kollegen, die mich beim Erstellen dieser Arbeit unterstützt und motiviert haben. Zuletzt möchte ich mich ganz besonders bei meinen Eltern und meiner Frau Manuela bedanken, ohne deren fortwährende Unterstützung ich diese Arbeit nicht hätte fertig stellen können. Graz, Dezember 2008 v

7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis xi xv xvii 1. Einleitung Ausgangssituation und Problemstellung Zielsetzung und Prämissen Forschungsfragen Vorgehensweise zur Erstellung der Arbeit Wissenschaftlicher Beitrag und Einordnung der Arbeit Aufbau der Arbeit Grundlagen Trends in der Automobilindustrie Simultaneous Engineering und Concurrent Engineering Front Loading Cross Enterprise Engineering Kommunikation - Koordination - Kooperation Virtuelle Prototypen (VPT) Begriffliche Grundlagen der Berechnung und der Simulation Simulation Berechnung Modellbildung Simulationsverfahren, -methoden und -klassen Finite-Elemente-Methode Mehrkörpersysteme Computational-Fluid-Dynamics Begriffliche Grundlagen des Prozessmanagements Prozess Prozesstypen Referenzprozess Spezifischer Prozess Prozesshierarchie Makroprozess versus Mikroprozess Workflow Ausgewählte Methoden der Prozessmodellierung Petrinetze vii

8 Inhaltsverzeichnis (Erweiterte) Ereignisgesteuerte Prozesskette [(e)epk] Wertschöpfungskettendiagramm Auswahl der Werkzeuge zur Prozessmodellierung Referenzmodelle Begriffsdefinition Klassifizierung von Referenzmodellen Formale Aspekte der Referenzmodellierung Die GOM als Ordnungsrahmen Vorgehensmodell zur Referenzmodellierung Nutzen von Referenzmodellen Auswahl der Werkzeuge zur Referenzmodellierung Etablierte Standards im Datenaustausch Native CAD-Formate Neutrale CAD-Formate Neutrale Datenformate IGES VDAFS STEP Überblick über AP Die Datenmodelle des STEP AP Spezielle AP214 ARM Interpretationen STEP Konnektoren AP214 und OMG PLM Services PLMXML OFTP ENGDAT ENGPART Nutzung von ENGDAT im Kontext VPT Vorgehensmodell Use-Cases Use-Case Virtuelle Vorderachsabsicherung Use-Case Fußgängerschutz Use-Case Forming to Crash Analyse-Phase Entwicklungs-Phase Mapping auf Standards Prototypen, Dissertation VPT-Referenzprozess VPT-Phasenmodell VPT Prozessmodell Vorbereitungsphase Datenbeschaffungsphase Datenaufbereitungsphase Modellerstellung FEM viii

9 Inhaltsverzeichnis Modellerstellung CFD Modellerstellung MKS Solvingphase Ergebnisaufbereitungsphase Konsolidierungsphase VPT-Datensynchronisationspunkte Typische Interaktionsszenarien und Nachrichten Interaktionsszenarien Externes Vernetzen Externer Modulaufbau Externer Modellaufbau Externes Erstellen des Inputdecks Externe Vergabe des Simulationsauftrags Externer Solverlauf und Postprocessing Nachrichten im VPT-Referenzprozess Beschreibung der Nachrichten Nachrichtenkopf und Nachrichtensteuerinformation VPT-Referenzdatenmodell Beschreibungsmethode EXPRESS-G Überblick über das VPT-Referenzdatenmodell Abbildung des VPT-Referenzdatenmodells auf ISO (STEP) Verifikation Beispielhafte Instanzierungen Prototypische Implementierung Abschließende Betrachtungen Nutzen des VPT-Referenzmodells Empfehlungen für die Umsetzung Zusammenfassung und Ausblick 167 Literaturverzeichnis 169 A. Datenmodellmapping auf AP B. Lebenslauf des Autors 207 ix