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Development of functional digital mock-ups of mechanisms in virtual reality

Svilluppo di digital mock-up funzionali di sistemi meccanici in realtà virtuale
 
: Bellofiore, Vincenzo
: Stork, André; Henn, Thomas

Darmstadt, 2008, 231 S.
Napoli, Univ., Master Thesis, 2008
Englisch
Master Thesis
Fraunhofer IGD ()
virtual testing; Digital Mock-Up; virtual reality CAD integration; interdisciplinary application; kinematic simulation

Abstract
The research activity this thesis deals with was born in the context of the framework Functional DMU. Modern CAD systems are limited to proprietary formats and licensed APIs are not available for inheriting kinematic joints and constraints from the native CAD assembly. Different simulation applications are still conceived as stand-alone solutions and lack of functional integration. The interplay of different engineering simulation tools requires an appropriate methodical approach for sharing digital meta-models in the simulation software loop, i.e. functional digital mock-ups which can assure to the digital prototype of mechanical devices a consistent set of kinematic data since the first design steps.
Functional digital mock-ups guarantee interoperability and integration of the digital model under test into a wider framework of simulation tools, as it is typical of the concurrent engineering and multi-domain design approach. The developed methodology is tested on the case study visco-lock differential gear.
In the proposed solution the designer starts with modeling the CAD geometry, where datum references such as points, lines, curves, axes or surfaces can be properly added to enhance digital mock-ups functionally: they represent the main skeleton to define functional requirements, which parts may match in the assembly via kinematic joints. As sharable meta-data they take into account further key characteristics which other downstream applications should involve and have to test. An appropriate selective conversion into a standard data-exchange format, like STEP, ensures methodically the export/import phase of geometry and datum references for further evaluations among different destination software tools. A semi-immersive virtual environment is set up as interactive visualization to perform accurate Design Review sessions. A dynamic library of joint types in the kinematic module of Virtual Design 2 is implemented to make the best of the great potential Virtual Reality technologies can offer. This way the virtual environment can be enhanced to perform kinematic analysis on complex mechanical devices. Furthermore the deep investigation on the central role the dynamic multibody solver ADAMS plays, has furnished the possibility of developing a generalized converter architecture, which matches properly the idea of functional integration.
New research goals could be pointed out in order to bring dynamics into virtual environment by importing kinematic and dynamic data from MBS solvers as well as using their dynamic engine to drive the virtual interactive simulation. So far in coupling mode with ADAMS, the basic event-driven paradigm of Virtual Design 2 can be properly used for programming the virtual scene for direct manipulation of dynamic objects, which refer to the functional DMU of mechanism under test.

 

Zum virtuellen Absichern von Gesamtproduktkonzepten hat sich die DMU-Technologie (Digital Mock-Up) in der industriellen Praxis schon lang etabliert, wobei der heutige Stand der technischen Umsetzung von DMU auf geometrische Fragestellungen beschränkt ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht FunctionalDMU die funktionale Integration mechatronischer Produkte.
Der Schwerpunkt der folgenden Masterarbeit visiert die Problematik an, die in FunctionalDMU ensteht, wenn CAD-Geometrie und daraus resultierende Kinematik/Dynamik im Entwurfsprozess getrennt werden und mithilfe unterschiedlicher Systeme weiterbearbeitet werden. Aus dieser Trennung entstehen erhebliche Probleme bei der späteren integrativen Visualisierung. Die in CAD-Systemen vorhandenen proprietären Formate und der entsprechende Mangel von lizenzierten APIs erlauben leider nicht kinematische Daten und funktionale Zwangsbedingungen von CAD-Assemblies in weitere Simulationsumgebungen zu übertragen. Simulationsanwendungen werden häufig als stand-alone konzipiert. Eine übergreifende funktionale Integration fehlt. Die virtuelle Absicherung mechanischer und mechatronischer digitalen Produkte erfordert allerdings eine integrative Simulation von Produkteigenschaften über Domänengrenzen hinweg, um schon frühzeitig im Entwicklungsprozess Produkteigenschaften evaluieren zu können. Methodisch liegt der prinzipielle Lösungsansatz in einer Erweiterung von DMU um funktionale Aspekte, so dass ein funktionales Metamodell entsteht, das einen konsistenten kinematischen Datenbestand enthält, den verschiedene Simulatoren mitbenutzen können.
Funktionale DMUs sichern Interoperabilität und funktionale Integration in einer umfangreichen Simulationsplattform ab, wie es bei der multi-domänen Entwicklung komplexer mechanischen Produkte erforderlich ist. Die entwickelte Methodik wird auf das Fallbeispiel Visco-Lok Differenzialgetriebe getestet.
Nach dem methodisch konzipierten Entwicklungsprozeß wird zuerst die CAD-Geometrie modelliert, wobei der Konstrukteur zusätzliche geometrische Bezugselemente hinfügt, z.B. Bezugspunkte, -linien, -kurven, -achsen oder -flächen, die die funktionale Hauptstruktur zur Erweiterung von DMU darstellen. Diese Bezugselemente werden später als Metadaten benutzt, die zur Gelenkdefinition gebraucht werden, um die kinematischen Funktionalitäten des mechanischen Systems zu beschreiben. Geometrie und Bezugselemente werden ins neutrale Austauschformat STEP konvertiert, in unterschiedliche Simulationsumgebungen importiert und danach zur Definition der kinematischen Gelenke herangezogen. Die Vorbereitung einer semi-immersiven virtuellen Szene ermöglicht eine interaktive Visualisierung und macht das funktionale Design Review komplexer Mechatronik aufwandstechnisch beherrschbar. Außerdem wird das offene VR-Softwaresystem Virtual Design 2 durch die Implementierung eines kinematischen Plug-In Moduls erweitert. Die implementierte Gelenkbibliotek DSO (Dynamic Shared Object) enthält wichtige Gelenktypen zur kinematischen Analyse. Da die MKS-Simulation bei der Validierung mechanischer Produkte eine wesentliche Rolle spielt, wird das MKS-System ADAMS untersucht und eine generalisierte Konverterarchitektur entwickelt, die auf die endgültige funktionale Integration zielt.
Neue Forschungsobjektiven betreffen die Möglichkeit einer Laufzeitkopplung des MKS-Systems mit der interaktiven Visualisierung, sodass die kinematischen Daten und die dynamischen Simulationsergebnisse von ADAMS zusammen mit dem funktionalen DMU in die virtuelle Umgebung Virtual Design 2 übertragen werden können.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-76637.html