SFB/TR A05 - Systemsimulation des prozessaktuellen Werkzeugmaschinenabbildes

Das TP A05 befasst sich mit der Entwicklung, Validierung und Bereitstellung von Modellierungsmethoden zur thermo-elastischen Simulation von Gesamtmaschinenmodellen, welche die Methoden und Teilmodelle (TM) der anderen TP beinhalten und für variable Einsatzszenarien wie z. B. die Maschinenauslegung oder die Korrektur thermischer Fehler im Betrieb genutzt werden können. Zusätzlich entwickelt TP A05 in Kooperation mit den Modellnutzern anwendungsangepasste Modelle. In den ersten Phasen stand die effiziente Simulation des thermischen Feldes im Fokus. Hierzu wurden zwei Lösungsansätze zur Erstellung derartiger Modelle entwickelt und erfolgreich am Versuchsträger MAX getestet.

Auf MATLAB/Simulink basierend wurde ein Workflow zur Erstellung von, in thermischer Echtzeit berechenbaren, Netzwerkmodellen mit hoher struktureller Auflösung entwickelt, welcher am Integrationsobjekt Hauptspindel in Zusammenarbeit mit TP B03 erfolgreich angewandt wurde. Die TM bzw. Methoden aus anderen TP werden mit Modellblöcken bzw. MATLAB-Funktionen in das Modell integriert.
In Kooperation mit den TP A06 und A07 wurde ein Modellierungsansatz entwickelt, welcher eine aufwandsarme, teilautomatisierte Generierung verschiedener Modelltypen (Finite-Elemente-, Input-Output-Modell, jeweils in nicht reduzierter oder reduzierter Form) aus einer gemeinsam definierten, maschinenlesbaren Beschreibung ermöglicht. Dieser Ansatz erlaubt die Nutzung proprietärer als auch freier Softwarewerkzeuge zur Modellerstellung und Simulation. TM aus anderen TP werden über definierte Schnittstellen, entweder über parametrierte Funktionen oder durch Co-Simulation, eingebunden.

Simuliertes Temperaturfeld am Versuchsträger MAX © LWM

Ziel in Phase 3 ist die Bereitstellung von aussagefähigen thermo-elastischen WZM-Gesamtmodellen, im Sinne eines „digitalen Zwillings“, z. B. für die Auslegung und die Korrektur im Betrieb, die aus TM unterschiedlichen Typs bedarfsgerecht zusammengesetzt werden. Das zentrale Untersuchungsobjekt wird eine DMU 80 eVo linear sein. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Erweiterung der Modellierungstechniken zur Bestimmung des Verformungsfeldes aus dem Temperaturfeld. Die weitere Steigerung von Modellkomplexität und –umfang bedeutet außerdem folgende modellierungstechnische Herausforderungen:

die Einbindung neuer Parametrierungsansätze aus anderen TP in die Gesamtmodelle,
die Berücksichtigung stochastisch geprägter Einflüsse wie z. B. Kühlschmierstoff,
die Zusammenführung von Prozessen mit stark unterschiedlichen Zeitkonstanten –
also ein Multi-Scaling-Problem,
die Integration zustandsabhängiger Materialparameter (insbesondere mit Temperaturabhängigkeit)
die Kopplung mehrerer physikalischer Domänen (Thermoelastik, Fluidmechanik, Elektrotechnik) –
also ein Multi-Domain-Problem sowie
die Evolution der Simulationstechnologie zur Einbindung von online-Steuerungsdaten sowie zur Nutzung als Bewertungswerkzeug für Kompensations- und Korrekturmethoden.

Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Abschätzung und notwendigen Absicherung der Güte der einzelnen TM unterschiedlichen Typs für relevante Einsatzszenarien. Im Vordergrund stehen dabei vor allem Gültigkeitsbereich, Sensitivität und Unsicherheiten der TM und ihrer Parameter. Das TP A05 wird seine zentrale Rolle als Modell- und Simulationstechnologielieferant für die anderen TP beibehalten.