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Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0
Sensitivitätsstudie der Lebensdauer eines Common-Rail-Magnetventilinjektors neuer Generation auf Basis
parametrischer CAD-Geometrie
Thomas Söhner, Robert Bosch GmbH, DS-PC/EIP5, Stuttgart-FeuerbachWeimar, den 15. Oktober 2009
Diesel SystemsDS-PC/EIP5_Sh | 14.09.2009 | 989_1280d_Sh | © Robert Bosch GmbH 2009. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
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Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0
Gliederung des Vortrags
Motivation und Zielsetzung
Vorgehensweise/ Workflow
Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor
Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
Diesel SystemsDS-PC/EIP5_Sh | 14.09.2009 | 989_1280d_Sh | © Robert Bosch GmbH 2009. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
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Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0
Gliederung des Vortrags
Motivation und Zielsetzung
Vorgehensweise/ Workflow
Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor
Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
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Motivation und Zielsetzung
Anforderungen:Reduzierung der AbgasemissionenHöhere Motorleistung und DrehmomentSchnellere Entwicklungszeiten
Herausforderungen:DrucksteigerungHöhere Beanspruchung aller C
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Diesel Systems
ommon-Rail-System-Komponenten, wie
HochdruckpumpeRailInjektor
Steigerung der Beanspruchbarkeit aller CRS-KomponentenNeue Wege in der Entwicklung mit Ein-satz neuer CAO-Methoden/ Methodik
An- bzw. Herausforderungen an neue Generationen von Common-Rail-Systeme
Common-Rail-System 2.2
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Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0
Gliederung des Vortrags
Motivation und Zielsetzung
Vorgehensweise/ Workflow
Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor
Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
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Vorgehensweise/ Workflow
optiSLang• steuert den kompletten Prozess• erstellt für jedes Design einen spezifischen Parametersatz (Designvariablen)
Workflow Sensitivität/ Optimierung/ Robustheit (schematisch)S
kript kontrollierter Prozess
Windows-Ebene
Abaqus/CAE• stellt alle notwendigen Dateien und Pythonskripte über das Optiqus-plugin bereit• initiiert den Aufruf von Pro/E
• passt das FEM-Modell mit Last- und Randbedingungen, Vernetzung, etc. an• erstellt das Abaqus-Input-File
ETK (Extraction Toolkit)• extrahiert die Responsevariablen für optiSLang aus der binären Abaqus-odb-Datei
Pro/Engineer• modifiziert die Parts und übergibt die neue Geometrie an Abaqus/CAE
Abaqus/Standard• berechnet des aktuelle Design auf einem Rechencluster
FEMFAT (Tool zur Dauerfestigkeitsbewertung)• berechnet den minimalen Sicherheitsfaktor gegen Dauerbruch
Linux-Ebene
pass
wor
tfre
ie W
indo
ws
zu
Linu
x-V
erbi
ndun
g
passwortfreie W
indows zu
Linux-Verbindung
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Vorgehensweise/ Workflow
Entwicklungsgeschichte Direktschnittstelle09/2004: Visit of Mr. Greg Brown from ABAQUS/HQ
Request : Import and usage of CAD-parameters in CAEAnswer : Plans with Pro/E and Elysium
09/2006: Visit of Dr. David Fox and Greg Brown from ABAQUS/HQRequest : CAD-parameter available in CAEAnswer : V6.6-EF offers a simplified update of CAD-data in CAE
03/2007: Visit of Dr. Küssner and Mr. Hackhofer from ABAQUS/EuropeRequest : Interface from Pro/E to CAE like from UG to ANSYS/WBAnswer : Bosch should define the functionality
07/2007 : Development plans defined by Bosch (CR, DS, PT) and ABAQUS/HQ
11/2007 : First application realized with ABAQUS v6.8dev at ABAQUS/HQ
12/2007 : First installation of ABAQUS v6.8dev at DS
02/2008 : Second installation of ABAQUS v6.8dev at DS and CR
06/2008 : Successful application of ABAQUS v6.8dev for CRI2.2 at CR and DS
Quelle: Roland Schirrmacher, Robert Bosch GmbH, Abteilung CR/ARH2, Gerlingen-Schillerhöhe
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Vorgehensweise/ Workflow
Die bidirektionale Pro/E-Abaqus/CAE-SchnittstelleFunktionsweise des Datenaustausches:
Definition von Beziehungen/ Parametern (Relations/ Parameters) für KE-Konstruktionselemente (Features) in Pro/E
Export der Baugruppe (Assembly) im neutralen Elysiumformat *.eaf
Import der Baugruppe (Assembly) in Abaqus/CAE
Modifikation der Geometrieparameter interaktiv in CAE oder im Batch-Modus (Python-Skript)
Optiqus-plugin
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Vorgehensweise/ Workflow
Momentane EinschränkungenDas Interface benötigt Pro/E Wildfire 2 und Abaqus/CAE Version 6.8-1 oder neuer
Pro/E-plugin ist nur für Windows-32bit verfügbar. Für Abaqus-Jobs im Batch-Modus auf einem Linux-Clustersystem sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich (passwortfreie Windows-Linux-Verbindung; z.B. „PuTTY“ und „Pageant“)
Nur Parameter von Pro/E-Konstruktionselementen können von Abaqus/CAE modifiziert werden
Es gibt keine globale Parameterliste, die in Pro/E verwendet werden kann
Kein automatisches Parsen der Parameter vorhanden (Aufwand!)
Das Highlighting in Abaqus/CAE funktioniert nur für Konstruktionselemente und nicht für einzelne Parameter (wie z.B. Winkel oder Bohrungsdurchmesser)
Probleme treten auf, wenn das erzeugte Parameterset eine Änderung in der Topologie hervor-rufen. Um solche Fälle abzufangen, ist ein aufwändiges Python-Skript notwendig (Ergänzung der mit Last- und Randbedingungen versehenen Surfaces, Neuvernetzung des entsprechenden Bereichs, etc.)
Umständliches Handling mit Verschmelzungen aus Pro/E (jeweils ein *.eaf, *.par_abq, … File), sowie ein eigenes Part in Abaqus/CAE notwendig (jedoch keine Last- und Randbedingungen, Vernetzung, etc.)
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Motivation und Zielsetzung
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Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor
Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
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Anwendungsbeispiel Haltekörper CR-Magnetventilinjektor
Workflow im Detail
Designvariablen(Ventilraum und Zulaufbohrung)
verschmelzung_input.txtcri26_input.txt
FEM-Input-File (Modell)cri26-a3.inp
FEM-Ergebnissecri26-a3.odb
bidirektionaleInteraktion
FEMFAT-Ergebnissecri26-a3-femfat.odb
Skript kontrollierter P
rozess
Version3.0.1
®
®
Wildfire 2.0mit Elysium-
plugin
®
CAE 6.8-4
®
Standard 6.8-4
®
Version 4.7b
®
CAE-Lizenzvorhanden?
CAE 6.8-4
®
Pro/Efrei?
Modell-Update lokale Neuvernetzung
1 FEMFAT-Lizenz?cri26-a3.odb?
Rechencluster frei?Abaqus-Lizenzen?A
usfü
hren
ein
esC
lean
-Up-
Skr
ipte
s
CAE-Lizenzvorhanden?
Responsevariablemin. Sicherheitsfaktor sDcri26-a3-femfat_ext.out
cri26-a3-femfat.odb?
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Anwendungsbeispiel Haltekörper CR-Magnetventilinjektor
Sensitivitätsstudie mit optiSLangMethode
Latin-Hypercube-Verfahren15 Designvariablen erfahrungsbasierende Auswahl3 Responsevariablen200 Designs
WertebereichGleichverteilungToleranzangaben im CAD-Modell (Fertigungstoleranzen)
RechendatenRechendauer zirka 46,2h (~1,9 Tage) in SummeNutzung eines Bosch-internen Linux-Rechenclusters3 Jobs parallel (mit Verwendung einer FEMFAT-Lizenz)pro Abaqus-Job 20GByte Arbeitsspeicherbedarf
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Anwendungsbeispiel Haltekörper CR-Magnetventilinjektor
Ergebnisse der SensitivitätsstudieÜberprüfung der Vertrauensintervalle:
1 notw. Bedingung: 0,65 ≤ 0,7 ≤ 0,75 2 notw. Bedingung: 0,43 ≤ 0,5 ≤ 0,57
Anzahl der gerechneten Designs ausreich-end
Matrix der quadratischen Korrelationskoeffi-zienten
Darstellung der Eingangsgrößen (Designvari-ablen) und Ausgangsgrößen (Responsevari-ablen)Korrelationen größer als 0,7 werden generell als stark beschrieben, wobei Korrelationen kleiner als 0,3 als schwach bezeichnet werden
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Anwendungsbeispiel Haltekörper CR-Magnetventilinjektor
Zusammenfassung der SensitivitätsstudieEin Haltekörper wird über mehrere 100 Zeichnungsmaße einschließlich seiner Toleranzen geometrisch bestimmt.
Es sind aber nur wenige hiervon von Einfluss auf seine Hochdruckfestig-keitslimitierende Stelle.
D.h. auf die Verschneidungsgeometrie von Zulaufbohrung und Ventil-raum.
Es konnte bezogen auf die Responsevariable minimale Sicherheit unter Annahme einer Gleichverteilung aller 15 Designparameter die sensitivste geometrische Größe identifiziert werden.
Dies ist der Parameter abq_05.
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Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
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Zusammenfassung und Fazit
CRI2 und CRI3
Erfolgreiche Anwendung der assoziativen Pro/E-Abaqus/CAE-Schnittstelle
jedoch sind weitere Verbesserungen erwünscht
kompletter Workflow inklusive Lizenzprüfungen vor-handen und einsatzbereit
Jobsteuerung über ein zentrales Skript möglich
tabellarische Zusammenstellung der Parameter der einzelnen Konstruktionselemente/ Features in Pro/E ist zu empfehlen, da schnell die Orientierung verloren gehen kann
vor allem bei sehr vielen geometrischen Größen sinnvoll
Erfahrungen des Anwenders in Pro/E, Abaqus/CAE, OptiSLang, ETK, FEMFAT, Skripting, Python und Ergebnisinterpretation sind erforderlich
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Zusammenfassung und Fazit
Weiteres Vorgehen/ Ausblick
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Weiteres Vorgehen/ Ausblick
Robustheitsanalyse mit den sensitiven ParameternDie Ermittlung der Werksverteilungen (Verteilungsfunktionen) ist zwingend erforderlich, aber
schwierig aufgrund der Messtechnik zu bestimmen Röntgen-Computer-tomographie notwendiggeringe Anzahl an Musterteilen für eine ausreichende Datenbasis (Kosten!)daher Annahme einer abgeschnittenen Normalverteilung mit Mittelwert µ= Zeichnungsnominalmaß
Optimierung VentilraumverschneidungsbereichBetrachtung einzelner Optimierungskonstellationen
Zuverlässigkeitsanalyse („Design for six sigma“)d.h. evtl. Verschiebung der Toleranzlagen, der Nennmaße und der Verteilungs-funktion
Pulsversuche zur Verifikation der Simulationsergebnisse
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