Consistente systeemsimulatie voor mobiele machines

Bij de ontwikkeling van mobiele machines voor onder meer de bouw ligt de nadruk niet alleen op de verhoging van de productiviteit en het comfort van de bestuurder, maar ook op de verbetering van de energie-efficiëntie. Daarvoor is een optimaal totaalsysteem nodig, met naadloze interacties tussen alle subsystemen. Maar hoe zijn de talrijke componenten uit verschillende gebieden, zoals mechanica, elektronica en hydraulica, zo te ontwerpen dat een optimaal totaalsysteem ontstaat? Veel fabrikanten vertrouwen tegenwoordig op hun digitale transformatie om dit te bereiken.

Bij de ontwikkeling van mechatronische, hydraulische of besturingssystemen gebruiken de meeste fabrikanten verschillende simulatietools, die echter niet alle belangrijke ontwikkelvraagstukken kunnen beantwoorden. Waar deze hulpmiddelen hun grenzen bereiken, zoals bij de koppelingen van aangedreven mechanismen met een multibodysimulatie (mbs), biedt [Altair](https://www.altair.com

) een all-in-one oplossing gebaseerd op een holistische simulatiemethode. Bij zo’n totale systeemsimulatie kunnen ontwerpers en engineers direct gebruikmaken van bestaande simulatiemodellen, bijvoorbeeld om de hydraulica van het systeem met inbegrip van alle componenten doelgericht te optimaliseren.

Multibodysimulaties worden ook vaak gebruikt voor het analyseren, simuleren en optimaliseren van productiemachines. Met als doelstellingen om in een eerder stadium tijdens het ontwerp van producten al de produceerbaarheid te verbeteren en de productiecapaciteit te vergroten. Bij productiemachines zijn ook optredende trillingen en mogelijke vervormingen belangrijke aspecten om mee te nemen in de simulaties. Door de toenemende complexiteit van productiemachines is het belangrijk om alle technische prestaties en risico’s vooraf integraal te analyseren en proactief te managen.

Twee detailniveaus

De aanpak van Altair is gebaseerd op een integratieplatform dat een compleet systeemmodel laat communiceren met verschillende externe omgevingen, zoals trainingssimulatoren. Het centrale element is een in Altair Activate gecreëerd simulatiemodel van het gehele systeem dat interacties tussen componenten en subsystemen mogelijk maakt.

Een 3D mbs is op twee verschillende detailniveaus uit te voeren. Als alleen een vroege beoordeling nodig is, maken open standaarden zoals Modelica een snelle simulatie mogelijk. Voor een gedetailleerder inzicht wordt de koppeling met Altair Motionsolve aanbevolen. Deze vergt meer tijd maar levert vele malen nauwkeurigere resultaten op, bijvoorbeeld om de spanningen of vervormingen in de mechanische componenten te evalueren. Softwaregebruikers kunnen via een eenvoudige grafische interface kiezen welk nauwkeurigheidsniveau nodig is en zo ook de benodigde tijd regelen. Beide detailniveaus zijn ook te gebruiken bij de communicatie met andere omgevingen, zoals een iot-platform of een joystick.

Zelfs in de conceptfase levert deze holistische aanpak snel belangrijke inzichten op, die later in het ontwikkelproces kostbare wijzigingen kunnen voorkomen. Op conceptniveau kan het ontwerp- en engineeringteam daardoor beter onderbouwd belangrijke beslissingen nemen over de dimensionering van onderdelen, omdat de effecten op het totale systeem al herkenbaar zijn.

In het gedetailleerde ontwerp zijn alle effecten op de kracht- en spanningskrommen te analyseren met behulp van de beschikbare geometrieën en massa’s. Afhankelijk van het gewenste detailniveau kunnen stijve of flexibele componenten in het mbs-model worden gebruikt. Motionsolve of Altair Inspire maken het mogelijk om zelfs de kleinste afwijkingen te bepalen door flexibele structuren in 3D in kaart te brengen en dankzij een hoge detailnauwkeurigheid.

Met dezelfde dataverzameling kan een ontwikkelaar het trilgedrag van de mobiele machine bekijken, om eventuele ongewenste systeemeigenmodes te identificeren en deze naar niet-kritieke frequentiebereiken te verplaatsen. Last but not least biedt het model ook inzicht in het gedrag bij de verwerking van bulkmaterialen. Met de discrete element method (dem) zijn de invloeden van volume en korrelgrootte op de aandrijfkrachten te bepalen, zodat over- of onderdimensionering van hydraulische eenheden, aandrijvingen of materiaal te voorkomen is.

Virtual reality

Zowel uit kostenoverwegingen als vanwege de niet altijd toegankelijke data spelen virtuele tests en virtual reality een steeds belangrijkere rol in de aanloop naar de prototypefase. Het simulatiemodel van het Activate-systeem is samen met de bestaande geometrieën via de fmi-interface eenvoudig naar een vr-gebaseerde visualisatieomgeving te exporteren.

Door samenwerking met Altairs partner CM Labs is het sinds kort ook mogelijk om een mbs-model met enkele kliks te converteren naar een realtime Vortex-model. Bijvoorbeeld om in realtime het gedrag van een mobiele (bouw)machine tijdens het dagelijks gebruik te testen en mogelijke risico’s van verkeerd gebruik te onderzoeken.

Zelfs na de marktintroductie biedt een compleet systeemmodel als digitale tweeling de mogelijkheid om een mobiele machine te blijven optimaliseren. Dat is mogelijk door data te verzamelen van de machines die al in gebruik zijn en deze te convergeren met de simulatiedata op een gezamenlijk iot-platform en vervolgens te visualiseren, bijvoorbeeld met de Altair Panopticon-oplossing.

Op basis van echte gebruiksdata is een 3D-model steeds verder te verfijnen en kan een voorspelling worden gedaan over de benodigde onderhoudsintervallen of toekomstige systeemverbeteringen. Tenslotte is het zelfs mogelijk extra componenten die aanvankelijk niet zijn gemodelleerd, met de systeemsimulatie te integreren door neurale netwerken te trainen op basis van transiënte meetgegevens. Een praktijkvoorbeeld hiervan is het laad- en ontlaadproces van batterijen.

Niet alleen een compleet platform, maar ook voldoende technische kennis en ervaring zijn van cruciaal belang voor het opzetten van een oplossing en proces voor consistente systeemsimulatie. Het Altair-team biedt zijn klanten ook deze expertise, waardoor zij besparingen op middellange en lange termijn kunnen realiseren en het concurrentievermogen duurzaam kunnen versterken.