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Ein Beitrag zur parametrischen Modellbildung strukturdynamischer Systeme entlang der Produktlebensphasen

 
: Tamm, Christoph

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Volltext ()

Darmstadt, 2021, XX, 137 S.
Darmstadt, TU, Diss., 2020
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-177571
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer LBF ()
Modellbildung; Strukturdynamik; Produktlebensphase

Abstract
Im Rahmen von Industrie 4.0 vereinigen technische Systeme sowohl Informations-, Kommunikations- als auch Sensortechnologien unter Verwendung von bereits existierenden mechatronischen Komponenten. Dabei werden virtuelle Abbilder der physikalischen Welt entwickelt, welche reale und virtuelle Informationen von Prozessen, Produkten oder Dienstleistungen verarbeiten. Physische Dinge werden mit digitalen Diensten zu hybriden, zugleich digitalen und physikalischen Produkten kombiniert. Die technischen Systeme müssen dabei künftig nicht nur miteinander vernetzt sein, sondern zudem smarte Eigenschaften besitzen. Aktuelle Forschungsthemen umfassen dabei die Adaption auf äußere Bedingungen und die autonome Selbstoptimierung dynamischer Systemeigenschaften. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Validierung einer Methode zur parametrischen Beschreibung dynamischer Systeme für Echtzeit-Anwendungen. Das vorgeschlagene Vorgehen leistet einen Beitrag zur zuverlässigen Nachverfolgbarkeit und einfachen Aktualisierung von Daten und Modellen über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes. Die durchgängige Nutzung eines parametrischen Strukturmodells von der Planung über die Auslegung bis hin zur Zustandskontrolle im Betrieb steht dabei im Fokus der Arbeit. Ausgehend von der modellbasierten Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme wird eine strukturierte Methode zur parametrischen Modellbildung strukturdynamischer Systeme entwickelt, die in einem integrativen und domänenübergreifenden Systementwurf Anwendung finden kann. Die Methodenentwicklung baut dabei auf numerischen Standardverfahren aus dem Auslegungsprozess mechanischer Strukturen auf und lässt sich somit problemlos in bestehende Entwicklungsprozesse integrieren. Die parametrischen Beschreibungen der Teilsysteme ermöglichen es, konstruktive Parameter in einer variablen hybriden (numerischen und experimentellen) Entwicklungsumgebung systematisch zu untersuchen und zu bewerten. Die Entwicklung der Methodik wird am Beispiel eines eingespannten Balkens durchgeführt und auf den komplexeren Anwendungsfall einer hochdynamischen Versuchsumgebung übertragen. Anhand möglicher Anwendungsszenarien, die sich im Kontext der Digitalisierung ergeben, wird die Leistungsfähigkeit der Entwicklungsumgebung untersucht und bewertet. Zunächst wird die Anwendung parametrischer Modelle im Auslegungs- und Optimierungsprozess von Komponenten und Systemen analysiert. Dabei stehen zeit- und ressourceneffiziente Machbarkeits- und Sensitivitätsanalysen sowie Entwurfsraumbewertungen im Fokus. Abschließend werden die parametrischen Strukturmodelle experimentell validiert und die Tauglichkeit zur Verwendung als virtuelle Sensorik und für einen Online-Modellabgleich bewertet.

 

In the context of Industry 4.0, technical systems combine information, communication and sensor technologies using already existing mechatronic components. In doing so, virtual models of physical assets are developed, which process real and virtual information from processes, products or services. These physical assets are combined with digital services to hybrid, at the same time digital and physical products. In the future, technical systems must not only be connected, but also possess smart properties. Current research topics include the adaptation to external conditions and the autonomous self-optimization of dynamic system properties. The aim of this work is the development and validation of a method for the parametric modelling of dynamic systems for real-time applications. The proposed procedure contributes to reliable traceability and easy updating of data and models over the entire life cycle of a product. The focus of the work is the continuous use of a parametric structural model from planning over design up to condition monitoring and control in operation. Based on the model-based development methodology for mechatronic systems, a structured method for parametric modeling of structural dynamic systems is developed, which can be used in an integrative and cross-domain system design. The development is based on numerical standard methods from the design process of mechanical structures and can therefore be easily integrated into existing development processes. The parametric descriptions of all subsystems allow a systematically examination and evaluation of design parameters in a variable hybrid (numerical and experimental) development environment. The methodology is developed using an exemplary cantilever beam and transferred to the more complex application of a highly dynamic test environment. Using possible application scenarios that arise in the context of digitization, the performance of the development environment is examined and evaluated. First, the application of parametric models in the design and optimization process of components and subsystems is analyzed. The focus is on time- and computational-efficient feasibility and sensitivity analyzes as well as design space explorations. Finally, the parametric structural models are experimentally validated and the usage as virtual sensors and for online model calibration is assessed.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-639168.html