Zahnräder, Bild: iStock

In der Produktenwicklung und Simulation müssen alle Wechselwirkungen in einem komplexen Mix von elektronischer Steuerungstechnik, Mechanik, Hydraulik und thermischen Effekten getestet und optimiert werden. Bild: iStock

Eine wichtige Technologie, um elektrisch betriebene Systeme zu entwickeln und zu verifizieren, ist es, physikalische Systeme zu modellieren und zu simulieren. Mit diesem virtuellen Systemkonzept ist die maßgebliche Systemdefinition in einem „lebendigen“ Modell gegeben, das ein gründliches Verständnis der Abhängigkeiten, Daten und Schnittstellen zwischen den verschiedenen Teilsystemen liefert – und nicht in dem herkömmlichen Satz von statischen textbasierten Designdokumenten.

Wechselwirkungen verstehen und testen

Grafik komplexe Systeme, Bild: Ansys
Der Designprozess muss mit der zunehmenden Komplexität heutiger Produkte Schritt halten. Bild: Ansys

Die Modellierung und Simulation von Systemen stellt das Systemverhalten virtuell dar, sodass Produktentwicklungsteams die Wechselwirkungen in einem komplexen Mix von elektronischer Steuerungstechnik, Mechanik, Hydraulik, Elektromagnetik und thermischen Effekten verstehen, testen und optimieren können.

Zweifellos ist gerade das Verstehen von Produkten im Hinblick auf die Wechselwirkungen im System von großem Wert für die Produktentwickler. Jedes komplexe Produkt muss als System entwickelt und optimiert werden. Die Systemmodellierung und -simulation ist umso bedeutender, wenn die Entwicklerteams Informationen und digitale Elemente wie die Ergebnisse einer detaillierten physikalischen Simulation für eine Komponente wiederverwenden oder für neue Zwecke bei der Analyse des Systemverhaltens verwenden.

Dank der Entwicklung/Einhaltung von Standards und eingebaute Kopplungen mit anderen technischen Simulationsumgebungen, insbesondere in der 2D/3D-Physik-Simulation, werden Daten vermehrt wieder verwendet.

CAE muss tief und breit sein

So müssen beispielsweise CAE (Computer-Aided Engineering)-Tools für 3D-Simulation und Analyse über eine ausreichende Tiefe und Breite verfügen, um realistische Ergebnisse zu liefern. Nur integrierte, fachspezifische Tools für Strukturen, Fluide, thermisches Verhalten, Elektronik (integrierte Schaltungen) und elektromagnetische Felder können die komplexen Interaktionen dieser physikalischen Größen aufzeigen. Traditionell separate und miteinander nicht in Beziehung stehende Modelle müssen so integriert werden, dass sie gemeinsam ein System exakt darstellen können.

Kommt dann noch die Embedded Software hinzu, wird die Systemmodellierung noch komplexer. Smarte elektrische Produkte verwenden eingebettete Codes, um die Zusammenarbeit zwischen analogen und digitalen Komponenten zu steuern. So gibt es zum Beispiel in Kraftfahrzeugen eine Reihe von elektronischen Steuerungseinheiten, die viele Millionen Zeilen Code ausführen.

Tools für die Entwicklung, Optimierung, Verifizierung und Generierung von Embedded Code müssen branchenspezifische Standards erfüllen, besonders in sicherheitskritischen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt bis zur Nukleartechnik.

Weitere Enabler-Technologien sind bewährte offene Standards für die Verknüpfung der Modelle wie das Functional-Mock-Up-Interface (FMI) sowie standardisierte Sprachen für die Verhaltensmodellierung, etwa VHDLAMS und Modelica.

Moderne Produktentwicklung auf Systemebene

Ein „optimales“ Design einzelner Komponenten und deren Zusammenfügen zu einem System oder Produkt führen noch nicht zu einem optimalen System.

Es verursacht vielmehr unnötige und kostspielige Design-Durchgänge, Verzögerungen bei der Produkt­einführung oder sogar Produkt-Rückrufe. Naturgemäß erfordert ein Produktdesign, dass Kompromisse gemacht werden. Bei Änderungen, deren Folgen in anderen technischen Disziplinen nicht ersichtlich sind, sind weitreichende Konsequenzen möglich.

Best-Practice-Prozesse, Bild: Ansys
Best-Practice-Prozesse reduzieren die Notwendigkeit für physikalische Tests. Bild: Ansys

Die Entwicklungsteams müssen in der Lage sein, bei der Entwick­lung in einem bestimmten technischen Bereich die benachbarten Bereiche, die sich letztendlich auf die Produktleistung auswirken, ebenfalls zu berücksichtigen.
Die Entwicklung komplexer Produkte erfordert eine Denkweise auf der Systemebene und dies nicht erst kurz vor Abschluss des Entwicklungszyklus.

Das Systemdenken muss frühzeitig im Prozess als eine Disziplin erfolgen, die Informationen für das Detaildesign liefert und unliebsame Überraschungen beim Zusammenfügen der Komponenten vermeidet. Die Integration beginnt mit der Beurteilung von Konzepten und der Optimierung von Architekturen und stellt anschließend sicher, dass das kombinierte System die angestrebten Anforderungen erfüllt.