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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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Gliederung des Vortrags

Motivation und Zielsetzung

Vorgehensweise/ Workflow

Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor

Zusammenfassung und Fazit

Weiteres Vorgehen/ Ausblick


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Anforderungen:Reduzierung der AbgasemissionenHöhere Motorleistung und DrehmomentSchnellere Entwicklungszeiten

Herausforderungen:DrucksteigerungHöhere Beanspruchung aller C

DS-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.

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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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

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zu

Linu

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passwortfreie W

indows zu

Linux-Verbindung


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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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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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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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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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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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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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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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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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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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