Innovaties versnellen met realtime multibody simulaties

Door Altair

Steeds meer producten en systemen worden ‘slim’ gemaakt met elektronica en sensoren. Daarom moet bij het ontwikkelen van innovaties vanuit steeds meer invalshoeken worden geanalyseerd of een product of systeem voldoet aan alle eisen en wensen. Fabrikanten die zich in hun markt willen onderscheiden kunnen met behulp van multibody simulaties de productontwikkelingscyclus verkorten en als resultaat daarvan de ‘time-to-market’ van innovaties verkorten. Bij multibody simulaties worden alle onderdelen waaruit een product of systeem bestaat zowel afzonderlijk geanalyseerd, als inclusief hun interacties met andere onderdelen en zelfs de toepassingsomgeving. Geïntegreerde realtime simulaties op basis van gevalideerde 3D-modellen bieden nu de mogelijkheid om vroeg in de ontwerp- of engineeringfase snel realistisch gedrag van het ontworpen product of systeem te simuleren. Inclusief het voelbaar maken van de interacties tussen software en mens (HITL: Human in the Loop) en software en machine (HIT: Hardware in the Loop). Deze integrale aanpak levert het meeste voordeel op bij het simuleren en analyseren van systemen met complexe bewegingen, zoals in de mechatronica vaak voorkomt.

Toepassingen

Bewegende producten en systemen worden in elke marktsector gebruikt, variërend van de aandrijvingen en andere onderdelen van auto’s, bouwmaterieel, productiemachines, robots, schepen en vliegtuigen, tot allerlei consumentenproducten, zoals domotica. Tijdens de ontwerp-, engineering- en optimalisatiefasen van elk product of systeem is het belangrijk om de verwachte gebruiksomstandigheden en invloeden op mensen zo realistisch mogelijk te kunnen nabootsen. Dus het rijgedrag van auto’s en andere voertuigen, de hijsoperaties van kranen, het oogsten van landbouwmachines en de productieprocessen van industriële machines. Realtime multibody simulaties maken dat virtueel en realistisch nabootsen steeds eenvoudiger mogelijk, met als doelstelling op een integrale wijze de prestaties, veiligheidsaspecten en het gebruiksgemak te kunnen verbeteren.

Multibody simulatieproces

Voor het uitvoeren van multibody simulaties is allereerst een compleet en nauwkeurig 3D-ontwerp of engineeringmodel nodig. Vervolgens moet dat model nog worden verrijkt met alle technische variabelen en randvoorwaarden voor de krachtenoverdracht in en tussen de onderdelen, waaronder tegenwoordig steeds meer elektronica. Omdat het analyseren van bewegingen complexer is dan statische structurele analyses, vereist de pre-processing voor multibody simulaties specialistische kennis en ervaring. Het engineeringteam moet namelijk zo realistisch mogelijk de verwachte piekbelastingen, het aandrijfkoppel, motorvermogen en gedrag van de onderdelen tijdens verschillende gebruikssituaties vertalen naar simulatieparameters. Tenslotte is het nog noodzakelijk om de simulatieresultaten correct te interpreteren en te vertalen naar ontwerpverbeteringen.

Integratie multibody en realtime software

Altair MotionView/MotionSolve is een grafische modelleeromgeving voor het importeren van 3D-ontwerpen of het zelf parametrisch creëren van multibody modellen. Tevens analyseert en visualiseert deze software de simulatieresultaten van mogelijke bewegingen. Via een nieuw ontwikkelde conversietool is het gevalideerde multibody model vervolgens in enkele minuten te converteren naar een realtime model voor de Vortex Studio software van Altair-partner CM Labs. Vortex Studio voegt namelijk geavanceerde functionaliteit toe voor het in realtime simuleren en visualiseren van industriële toepassingen en de interacties met gebruikers. Door de conversietool wordt het nu voor het eerst mogelijk om complexe multibody modellen te integreren met realistische omgevingsscenario’s en deze in een vroege ontwerpfase te evalueren. Via standaard game controllers is ook het menselijk gebruiksgedrag te voelen en zijn diverse scenario’s na te bootsen om een multibody product of systeem verder te verbeteren. Dankzij het partnerschap tussen Altair en CM Labs zijn de additionele Vortex-simulaties laagdrempelig via het flexibele Altair Units licentiesysteem uit te voeren.

 

Hijskraanbewegingen

Een vaak voorkomende toepassing waaraan realtime multibody simulaties waarde kunnen toevoegen is het analyseren en visualiseren van hijskraanbewegingen. Met als uitdagingen het verbeteren van de laad-, los- en transportprocessen en het voorkomen van bedrijfsongevallen bij dynamische scenario’s. Hijskranen zijn complexere multibody-systemen dan ze op het eerste gezicht lijken. De mastlengte kan flink variëren, de hijskabels en banden of stempels krijgen grote krachten te verwerken en het totale krachtenspel wordt sterk beïnvloed door hijs- en verplaatsbewegingen. Ook de plaatsing van hijssystemen op bewegende platforms, zoals schepen en drijvende pontons, maakt het ontwerpen uitdagend. Altair, CM Labs en multibody-expert Sayfield International hebben samen uitgebreide simulaties uitgevoerd voor een bedrijf dat hijskranen levert voor het laden en lossen van containers. Door het delen van modeldata uit Altair MotionSolve/MotionView met Vortex Studio is er een realtime simulatiemodel voor hijskraanbewegingen gecreëerd, waarin de operator onderdeel uitmaakt van het engineeringteam dat de toepassingsmogelijkheden wil verbeteren.

Productiemachines en -processen

Multibody simulaties worden ook vaak gebruikt voor het analyseren, simuleren en optimaliseren van diverse productiemachines. Met als doelstellingen om in een eerder stadium tijdens het ontwerpen 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 proactief te managen. Realtime multibody en multifysische-simulaties maken dat al in een eerder stadium van de innovatiecyclus mogelijk, dankzij een holistisch inzicht in complexe producten en systemen. Als resultaat daarvan kunnen bedrijven beter alle mogelijke risico’s van verschillende gebruiksscenario’s inzichtelijk maken en op basis daarvan sneller onderbouwde (ontwerp)beslissingen nemen en optimaliseren.