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Durch den steigenden Trend zur Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte und den daraus resultierenden herausfordernden Anforderungen, müssen Automobilentwickler ihre Kompetenzen stetig erweitern und ihre bestehenden Entwicklungsprozesse bestmöglich optimieren. Bei Magna Steyr Fahrzeugtechnik bildet der Fachbereich Fahrzeugarchitektur einen der entscheidenden Hauptakteure im Fahrzeugentwicklungsprozess, welcher unter anderem die Hauptverantwortung für die Layouterstellung des zu entwickelnden Fahrzeugs trägt. Da das Erstellen eines solchen Layouts, ein sehr komplexer, aufwendiger Prozess ist, liegt das Hauptaugenmerk im Fachbereich darin, einen standardisierten Prozess, sowie einen Automatismus durch ein Tool zu haben, welches den Mitarbeiter bzw. die Mitarbeiterin maßgeblich bei der Erstellung eines Layouts unterstützt. Im Zuge diverser Masterarbeiten und Dissertationen im Unternehmen, wurde das Tool ConceptCar 2.0 geschaffen, welches jedoch noch von etlichen Fehlfunktionen geprägt und somit nicht für den Einsatz im täglichen Projektgeschäft geeignet ist. Der Fokus dieser Arbeit liegt darin, mittels einer Analyse des bestehenden Prozesses für die Konzeptentwicklung von Fahrzeuglayouts, sowie der Untersuchung des aktuell nicht einsetzbaren Tools ConceptCar 2.0, Optimierungskonzepte für einen projektbezogenen Einsatz aufzuzeigen, sodass ein neues Tool, das ConceptCar 3.0, kreiert werden konnte. Das ConceptCar 3.0 ermöglicht nun eine parametergesteuerte Konzepterstellung von Fahrzeuglayouts in den frühen Phasen der Automobilentwicklung. Mittels einer durchgeführten Evaluierung im Projektalltag wurde zudem die Einsetzbarkeit des Tools verifiziert.
Das Thema Digitaler Zwilling ist heutzutage aus keinem Industriezweig mehr wegzudenken. Die steigenden Rechner- und Netzwerkkapazitäten ermöglichen immer umfangreichere und realitätsnähere Simulationen von Prozessen und Anlagen. Ebenso steigt die Komplexität verfahrenstechnischer Anlagen und deren Steuerungen. Um mit dieser Entwicklung Schritt zu halten ist es notwendig, die Schulung der Anlagenbedienenden an diese Gegebenheiten anzupassen. Die Kanzler Verfahrenstechnik GmbH entwickelt und errichtet prozesstechnische Anlagen auf der ganzen Welt und ist dabei auch für die Ausbildung der Anlagenbediener*innen verantwortlich. Der bisherige Prozess sieht vor, auf Basis eines Frontalvortrags und Erklärens einzelner Anlagenfunktionen, den Bedienenden ein möglichst genaues Bild der Anlage und der damit verbundenen Gefährdungen, stofflicher oder physikalischer Natur, zu vermitteln. Die Sprachbarriere sowie die nur eingeschränkt vorhandenen Möglichkeiten, diese Gefährdungen im realen Betrieb zu zeigen, veranlassen das Unternehmen dazu, einen alternativen Schulungsprozess zu suchen. Die Integration eines digitalen Zwillings als Schulungsobjekt ist daher eine naheliegende Lösung, die im Lauf dieser Arbeit auf ihre Anwendbarkeit im Unternehmensumfeld überprüft wird. Die Imitation einzelner Komponenten als virtuelles Funktionsmodell einer Anlage soll den Anlagenbediener*innen ein besseres Situationsbewusstsein verschaffen, um die unzähligen Funktionen und Zustände jederzeit verstehen und nachvollziehen zu können und im Falle des Falles eine Gefahrensituation bereits in der Entstehung zu unterbinden. Um einen digitalen Zwilling erfolgreich in die Unternehmenstätigkeit zu integrieren, werden am Ende dieser Arbeit einige Rahmenbedingungen definiert, die es zu beachten gilt. Ebenso sind weitere Anwendungsgebiete die einen Mehrwert für das Unternehmen bieten in den abschließenden Betrachtungen nachzulesen.
Bezugnehmend auf die immer strenger werdenden Abgasnormen müssen effizientere und emissionsärmere Antriebssysteme entwickelt werden. Ein Ansatz hierfür ist die Verwendung von Brennstoffzellen als Hilfsaggregate in Automobilen. Da Experimente mit Brennstoffzellen komplex, teuer und meistens auch gefährlich sind, wird ein Fokus auf die Simulation gelegt. Im Rahmen dieser Arbeit werden dynamische Modelle der Komponenten Reformer und Stack einer Festkörperbrennstoffzelle erstellt. Zu Beginn werden die Grundlagen von Brennstoffzellen und Reformern besprochen. In weiterer Folge wird die Modellierung anhand physikalischer und mathematischer Ansätze und die Validierung dieser Modelle vorgestellt. Dabei werden beim Reformermodell die unterschiedlichen Reformierungsarten Dampfreformierung, partielle Oxidation und autotherme Reformierung sowie die Verwendung von unterschiedlichen Brennstoffen berücksichtigt. Beim Brennstoffzellenstackmodell können die drei Strömungskonfigurationen Gleich-, Gegen- und Wechselstrom simuliert werden. Durch Kalibrierung der Modelle mit Benchmarkmodellen kann die Gültigkeit überprüft werden. Als Ergebnisse dieser kalibrierten Modelle können die Austrittstemperatur und die Austrittsgaszusammensetzung genannt werden. Mithilfe dieser wird die zukünftige modellbasierte Entwicklung von Steuerungsalgorithmen ermöglicht.
Magnetic angle position sensors have proved popular over the last decade. Because of their robustness they have prevailed as standard in a large variety of applications in the automotive, industry, consumer and medical area. Application examples in these areas include: throttle pedals, sewing machines, smartwatches and special surgery tools. Magnetic angle position sensors consist of an integrated circuit and a permanent magnet which serves as signal source and is attached to an object whose position needs to be sensed. The optimization of magnetic angle position sensors, in order to achieve high performance at low cost is complex. This thesis aims to solve these issues with a simulation-based approach. In general, the simulation of magnetic position sensors is complicated by several factors, therefore it requires expensive tools which are difficult to master and to use. These difficulties are overcome by a software called POS-Simulator. One part of the software is installed on the user's PC, which connects to a webserver where the other parts of the software are installed. All simulations are performed on the webserver. The simulation results are sent back to the user after the simulation has been completed. The simplicity of the POS-Simulator is attained by its high degree of specialization to the customer's needs. The POS-Simulator enables customers to design and verify the operation of position sensor systems within hours instead of several weeks. The simulation results have been verified by measurements where correlation with simulations was remarkably good. The accuracy of the simulation results is high enough to enable the optimization of applications and to predict their expected errors.
Virtuelle Modelle technischer Systeme haben den Entwicklungsprozess in den letzten zwei Jahrzehnten maßgeblich beeinflusst. Insbesondere die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) erlaubt es, das Verhalten von Schüttgütern zu simulieren und ermöglicht eine effektivere Art der Entwicklung und Erprobung von Maschinen und Systemen. Die Firma Komptech GmbH entwickelt Maschinen, die unter anderem Kompost verarbeiten, und konzentriert sich auf deren konsequente Optimierung. Mit dieser Masterarbeit wird das Ziel verfolgt, durch die Modellierung des Siebprozesses eines Trommelsiebes auf Basis der DEM, einen Wandel vom traditionellen Trial-and-Error-Konzept in der Maschinenentwicklung, hin zu einem neuen virtuellen Verfahren zu realisieren. Zunächst wird der Kompost hinsichtlich Partikelgrößen und dessen enthaltenen Materialien empirisch untersucht. Basierend auf den ausgewerteten Daten wird ein mathematisches Modell erstellt, das das Fließverhalten des Komposts darstellt. Darüber hinaus werden reale Experimente mit dem Kompost durchgeführt, um diese Materialmodelle zu kalibrieren. Zusätzlich wird eine Simulation des gesamten Siebprozesses des Trommelsiebes dargestellt. Die Qualität dieser virtuellen Nachbildung ergibt ein überaus realistisches Abbild der Realität, was durch Vergleiche mit einem Versuch der Realmaschine bestätigt wird. Basierend auf diesem Ergebnis werden Optimierungen hinsichtlich Durchsatz und Siebqualität dieser Maschine erarbeitet. Weitere virtuelle Analysen werden durchgeführt, um einerseits Verunreinigungen im Kompost, wie etwa Plastikfolien, sowie das Verschleißverhalten der Siebtrommel zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass virtuelle Modelle tiefgreifende Analysen ermöglichen, die mit realen Tests nicht möglich wären. Darüber hinaus zeigt sich, dass die virtuelle Modellbildung, insbesondere die DEM, entscheidend für die Entwicklung von Maschinen bei der Komptech GmbH ist, wodurch dem Unternehmen einen entscheidenden Vorteil bei der Maschinenoptimierung geschaffen wird.
In the early stages of the conceptual and the design phases of a new product simulation is involved in the decision making process, even before any prototyping is done. This concept is so-called front loading. Designing a new turbocharger for example requires better understanding of the rotor-dynamics. Multi-body dynamics simulation (MBD) is a suitable tool to investigate phenomena, e.g. rotor imbalance, which has a vast impact on the durability of bushing bearings. Combining multi-body dynamics simulation and computational fluid dynamics (CFD), the CFD supplies important boundary conditions for MBD, which is a new simulation methodology investigated in this thesis. The simulation tool AVL FIRE M with its multi-material capability is being used for this investigation. One of the most important fields related to this objective is the heat transfer analysis with special focus on the thermal dynamics of the heat flow within the turbocharger. Since CFD simulation is already a well established tool in product development and especially in the component design phase, this novel simulation approach is offering an alternative method to the conventional fluid-solid coupling which is usually used to calculate temperature distribution in solid structure and stress analysis. This proposed approach represents the simulation of heat transfer within the turbocharger structure and its parts by considering the solid and fluid parts of the turbocharger as a multi-domain and multi-material simulation model. The theoretical part builds up the fundamentals to the engineering background and the physical modelling. Furthermore, the basic essentials of workflow and the general evaluation process are introduced, which should form a transition between engineering outcome, usablity and user’s acceptance of the novel simulation approach. In the evaluation part of the thesis the gathered results are presented and summarized. The engineering outcome as well as the workflow and methodology of such kind of simulations are discussed. Finally, the summary presents all pillars of the evaluation process and an additional outlook is given as a reflection of the presented workflow. It provides recommendations for further improvement and gives suggestions for future investigations. The presented methodology proves to be a next level approach in prediction of turbocharger simulation in the product development process.
Aufgrund kürzer werdender Zeiträume zur Realisierung von hochautomatisierten, robotergestützten Fertigungsanlagen im Karosseriebau, stoßen traditionelle Inbetriebnahmemethoden immer öfter an ihre Grenzen. Daher hat die vorliegende Masterarbeit die wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Themenfeld der Virtuellen Inbetriebnahme zum Inhalt. Ziel der Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung eines Prototyps, der die Anforderungen von Magna Steyr in diesem Themenbereich erfüllt. Diese sind einerseits eine Methode respektive ein Werkzeug zu schaffen, das die Verifikation und Validierung von steuerungstechnischen Entwicklungen ohne real bestehende Produktionsanlage ermöglicht. Andererseits ist mit der zu schaffenden Vorgehensweise ein System zu entwickeln, das modellgestützt die Analyse komplexer Störszenarien und Ausfälle von Produktionsanlagen im Karosseriebau erlaubt, ohne den bestehenden Fertigungsprozess zu beeinträchtigen. Das zu entwickelnde Engineeringwerkzeug ist so zu gestalten, dass weitestgehend originale Steuerungskomponenten und nativer Programmcode eingesetzt werden können. Um die forschungsleitenden Fragestellungen zu beantworten sowie die von Magna Steyr vorgegebenen Entwicklungsziele zu erreichen, werden in dieser Masterarbeit die Bereiche Modellbildung und Virtuelle Inbetriebnahme einer theoretischen Auseinandersetzung und Analyse unterzogen. Dies bildet die Grundlage für die im Praxisteil der Masterarbeit zu entwickelnde Methode zur virtuellen Absicherung von hochautomatisierten Karosseriebauanlagen.
Kunden der Maschinen- und Anlagenbauindustrie erwarten sich immer kürzere Lieferzeiten in Kombination mit qualitativ hochwertigen Produkten, wie auch eine vollständige und korrekte Dokumentation. ANDRITZ geht bei nahezu jeder verkauften Maschine- oder Anlage auf die Bedürfnisse und Wünsche der Kunden ein. Aus diesem Grund entsteht eine sehr flexible Produktpalette. Um den Wunsch nach kürzeren Lieferzeiten in Kombination mit der flexiblen Produktpalette erfüllen zu können, muss der Planungsprozess adaptiert werden. Das Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung einer Software zur Automatisierung des Planungsprozesses von modularisierten Anlagen und die daraus resultierende Verkürzung der Lieferzeit. Der erste Teil der praktischen Arbeit befasst sich mit der systematischen Entwicklung und Testung dieser Software. Um garantieren zu können, dass die neue Software Metris Engineering Configurator den Wünschen der Interessensvertreter entspricht, werden unter anderem modellbasierte Vorgehensweisen angewandt. Im zweiten Teil wird eine Filterpressenanlage vollständig standardisiert, modularisiert und für den Einsatz des Metris Engineering Configurators vorbereitet. Im letzten Teil werden die Vorteile der neuen Software an der automatisierten Erstellung der prozess- und automatisierungstechnischen Dokumentation einer Filterpressenanlage aufgezeigt. Durch den Einsatz des Metris Engineering Configurators kann die Durchlaufzeit und somit auch die Lieferzeit einer Anlage signifikant verringert werden kann. Folglich können auch die Kosten für die Planung reduziert werden. Aufgrund des automatisierten Planungsprozesses kann zudem eine qualitativ hochwertige Anlagendokumentation garantiert werden. Die Software wurde im Unternehmen eingeführt und kann von allen Mitarbeitern verwendet werden. Die Tests haben gezeigt, dass der Metris Engineering Configurator in Zukunft für unterschiedliche Anlagen und Ausrüstungen zum Einsatz kommen kann. Zwei Updates für die Erweiterung der Software werden in dieser Masterarbeit bereits behandelt.
Viele Branchen beschäftigen sich derzeit mit dem Stichwort Industrie 4.0. Die Produktentwicklung verändert sich durch den Einsatz neuer Technologien in vielen Bereichen. Die virtuelle Inbetriebnahme ist Teil dieser neuen Entwicklungen und trägt wesentlich zu einer frühen Maschinenevaluierung bei. Durch die Kombination realer Steuerungselemente mit einem virtuellen Maschinenlayout sind erstmals gesamte virtuelle Modelle der Produkte darstellbar. Um diese virtuellen Modelle für die Entwicklung von Sondermaschinen zu nutzen, ist es notwendig bereits bestehende Technologien und Methoden am Markt zu ermitteln und anhand verschiedener Kriterien zu bewerten. Eine Marktevaluierung zeigt die Unterschiede verschiedener Softwarelösungen auf. Anhand unterschiedlicher Beispielanlagen aus dem Sondermaschinenbau stellt die Arbeit eine Einführungsmöglichkeit eines Systems im Bereich der virtuellen Inbetriebnahme und der virtuellen Simulation dar. Dazu evaluieren reale Steuerungssysteme in Kombination mit dem virtuellen Modell die Abläufe und zeigen die Anwendung der Technologie am Beispiel realistischer Maschinenkonzepte. Daraus ergibt sich das Ziel, erstmals virtuelle Anlagen zur Evaluierung und Beurteilung der Steuerungsprogramme und der Verfahrensabläufe herzustellen. Die Anwendung der virtuellen Inbetriebnahme im Produktionsalltag des Unternehmens führt zu höheren Anlagenqualitäten und geringeren Produkteinführungszeiten, da erstmals das gesamte System in einem virtuellen Umfeld evaluiert werden kann.
Modellbasierte Ansätze gewinnen innerhalb des Produktentwicklungsprozesses zunehmend an Bedeutung, um Ressourcen zu schonen und Produkte termingerecht auf den Markt zu bringen. Zentral sind in diesem Zusammenhang die Umsetzung von modernem Anforderungsmanagement und die Nutzung bereits entwickelter Module für neue Produkte. Dies kann mit Hilfe von Variationsmanagement und modellbasierten Systems-Engineering-Methoden erreicht werden. Anton Paar entwickelt komplexe Messsysteme für ein breites Anwendungsfeld, etwa die Messung von rheologischen Verhalten oder der Partikelgröße. Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, inwiefern Variantenmanagement und modellbasierter Systementwurf in den Produktentwicklungsprozess von Messsystemen integriert werden können, um Time-to-Market-Ziele zu erreichen und Entwicklungsressourcen zu sparen. Im ersten Schritt wurden verschiedene Methoden evaluiert, um das beste Verfahren zur Erstellung des Modells eines hochkomplexen prozessintegrierten Partikelanalysesystems zu finden. Basierend auf dem Ergebnis dieser Analyse ergeben sich die verschiedenen Varianten, um identische Komponenten zu finden, die für mehrere Anwendungen wiederverwendet werden können. Dadurch können Ressourcen gespart werden und nachhaltige Entwicklung wird ermöglicht. Darüber hinaus konnten die verschiedenen Varianten des Systems in eine modellbasierte Systems-Engineering-Umgebung integriert werden, um die Vorteile im Vergleich zu veralteten Ansätzen aufzuzeigen. Das Ergebnis belegt, dass State-of-the-Art-Ansätze im Produktentstehungsprozess einen positiven Einfluss auf die Entwicklungsqualität haben. Darüber hinaus zeigt es, dass modellbasierte Methoden auch die Entwicklungszeit positiv beeinflussen können. Durch weitere Untersuchungen können diese Ergebnisse der Masterarbeit verifiziert werden.