Simulation von Baumaschinen mit Modelica

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1 Simulation von Baumaschinen mit Modelica Timo Penndorf Modelica User Group Baden-Württemberg 10. Oktober 2013

2 2 / 15 Agenda Überblick über die Systemsimulation mobiler Arbeitsmaschinen Allgemeine Modellstrukturen Bedienermodelle und interaktive Simulation Komponentenbasierter Simulator Modelica und FMU, Anwendung für Simulationskomponente Spezielle Modelica-Bibliotheken Anwendungen Simulatorkopplung, Simulation von Arbeitsprozessen Verteilte Produktentwicklung Ausblick

3 3 / 15 Forschungsprojekte und Veröffentlichungen Forschungsprojekte (BMBF) Sarturis, grundlegende Softwarearchitektur zur Simulation von Baumaschinen, Inprovy, Anwendung von Modelica zur Modellbildung, Integration in den Produktentwicklungsprozess, Awimas, Simulation von Baumaschinen bei der Ausbildung, HPCOM, High performance computing meets Modelica, Konferenzbeiträge Modelica Konferenzen Como, Dresden, München OpenModelica Workshop 2010 CVT Kaiserslautern 2010 und 2012 Baumaschinentagung 2012

4 Simulation von Baumaschinen Mobile Arbeitsmaschinen 4 / 15 Ortsveränderung und Arbeitsprozess

5 5 / 15 Simulation von Baumaschinen Allgemeine Modellstrukturen Mechanische Strukturen (Flexible) MKS Standard-Mechanismen Bodenkontakt ohne Werkzeuge Reifen (Offroad, Radlasten) Kettenlaufwerke Abstützungen v φ m Hydraulische Antriebe h(x, y) Fx M P Fy Druckaufbaugleichung Blendengleichung Netzwerkcharakter Q Q1 Q2 p1 p2 p, V, K α Arbeitsprozesse Auslegungsformeln Enger Gültigkeitsbereich Empirische Bezugsgrößen

6 6 / 15 Simulation von Baumaschinen Bedienermodelle Bediener-Maschine-Prozess Spurwechsel-Modell, PKW Wahrnehmung Sinnesorgane Bediener Maschine Anzeigen Bewegungen Geräusche Widerstände Bewegungsapparat Bedienelemente Handlung 2 Kanäle (v, φ) Komplexität O(n!) Rückwirkungen Geometrie Geräusche Widerstände Prozess/Umgebung Planung Fazit Grobe Referenzzyklen Keine Bedienermodelle in Gleichungsform

7 7 / 15 VR-Systeme, interaktive Simulation Bediener wird in Simulation integriert VR-Umgebung als Simulator Komplexes flexibles Softwaresystem Visualisierung, Sound, Kommunikation, Bussysteme Numerische Methoden, Modellgleichungen Komponentenarchitektur

8 8 / 15 Modelica und FMU Modellgleichungen nicht in C/C++ Integration als spezialisierte Komponente FMU als generische Komponente

9 Modelica Bibliotheken Hydraulik, Kollision, Reifen, etc. 9 / 15 within BFT. Hydraulics. I n t e r f a c e s ; p a r t i a l model F o u r P o r t V a l v e " FourPortValve : Ventil mit 4 hydraulischen Anschluessen und einem Signaleingang " extends HydraulicComponent ; Units. Pressure pa " Absolutdruck am Anschluss A " ; Units. VolumeFlowRate_lmin QA " Volumenstrom in Komponente durch Anschluss a [ l /min ] " ;... e q u a t i o n pa = port_a. p ; QA = port_a.q;... end FourPortValve ; w i t h i n Contact. B u l l e t ; c l a s s C o l l i s i o n W o r l d extends ExternalObject ; f u n c t i o n c o n s t r u c t o r i n p u t I n t e g e r N; i n p u t Real m a r g i n S c a l e = 1. 8 ; output C o l l i s i o n W o r l d obj ; e x t e r n a l "C" obj= b u l l e t _ c o n s t r u c t o r (N, marginscale ) ; end constructor ; f u n c t i o n d e s t r u c t o r input C o l l i s i o n W o r l d obj ; e x t e r n a l "C" b u l l e t _ d e s t r u c t o r ( obj ) ; end d e s t r u c t o r ; end CollisionWorld ;

10 10 / 15 Anwendungen Hexapod-Radlader I Modellierung des Hexapod mit Modelica (Mechanik, Hydraulik) I Unterschiedliche Modelltiefe für Gesamtsystem und Details I Berechnung mit Dymola und SimulationX I Integration in VR-Echtzeitsimulator

11 11 / 15 Anwendungen Schaufelradbagger

12 12 / 15 Simulatorkopplung Prozesssimulation Simulation der Wechselwirkung zwischen Maschine und Boden Analyse und Optimierung von Prototypen unter Berücksichtigung von Prozesslasten

13 Simulatorkopplung Prozesssimulation 13 / 15

14 14 / 15 Simulation in der Produktentwicklung Problemfelder, Modelica als Lösungsansatz Systemgrenzen inkompatibel mit der Realität Nachweis von Teilsystemen ist nicht Ziel Modelica bietet Abstraktion, Schnittstellen, Konnektoren-Konzept Verallgemeinerung des Komponentenbegriffs (Fragment-Box)

15 15 / 15 Zusammenfassung und Ausblick Modelica als domänenneutrale Sprache bestens zur Simulation von Baumaschinen geeignet Schnittstellen, Vererbung und Konnektoren-Konzept erhöhen die Wiederverwendung Bibliotheken reduzieren die Komplexität FMU als generische Komponente für Simulatoren ermöglicht flexible Softwarelandschaft Bedienermodelle liegen nicht in Gleichungsform vor Modelle für Arbeitsprozesse sind durch viele einfache Gleichungen beschrieben (kein Ansatz für Modelica) Wissen der Gleichungen einer Komplettmaschine ist in der Regel unternehmensübergreifend verteilt