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Fallstudien

Entwurfsoptimierung eines elektromagnetischen Ventilantriebes

Als Weltmarktführer für Gasfedern und hydraulische Schwingungsdämpfer, die Fa. Stabilus GmbH entwickelt derzeit Gasfedern mit elektromagnetisch steuerbarem Ventil für den Einsatz im Automobil. Der elektromagnetische Ventilantrieb solcher Gasfedern ist ein komplexes mechatronisches System. Zur Beherrschung dieser Komplexität und der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilsystemen werden sie beim Systementwurf getrennt mit verschiedenen Simulationsprogrammen modelliert und anschließend miteinander gekoppelt. Die stationären Magnetfelder des Antriebes werden mit dem Finite- Elemente-System FEMM zur Berechnung der wesentlichen Kennfelder behandelt, während die Dynamik des Systems mit dem Netzwerk-Simulationssystem SimulationX modelliert wird. Weiterhin wird die transiente Temperaturverteilung im Antrieb mit dem Finite-Elemente-Programm COMSOL Multiphysics beschrieben. Mit dieser Vorgehensweise kann man die Wirkprinzipien der Teilsysteme und deren Wechselwirkungen mit geringem Aufwand bis ins Detail parametrieren und berechnen. Zur Integration und Automatisierung dieser einzelnen Simulationsprozesse wird das multidisziplinäre Analyse- und Optimierungsprogramm OptiY verwendet. Dadurch werden zudem die Grundlagen für einen automatisierten Systementwurf mittels numerischer Optimierung geschaffen. Durch die Definition von Systemparametern und die Eingabe von Randbedingungen und Entwurfszielen in Form von Restriktionen und Gütekriterien der Optimierungsaufgabe werden die Eigenschaften des Antriebes hinsichtlich der Magnetkraft, der Verlustleistung und des Anzugsvorgangs mit numerischen Optimierungsverfahren systematisch verbessert. Artikel lesen

Robust Design von MEMS am Beispiel eines Wärme-Aktuators

Der Wärmeaktuator arbeitet auf der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen den dünnen Arm und dicken Flügel. Die Nennwertsimulation ist eine gekoppelte Feldanalyse, die aus der Interaktion zwischen thermischen, elektrischen und mechanischen Felder besteht. Eine Spannung an den elektrische Verbindungen induziert einen Strom durch den Arm und Flügel. Der Stromfluss und die Widerstandskraft des Siliziums produzieren Wärmeverlustleistung im Arm und Flügel. Die Betriebstemperatur liegt bei 750°C. Es produziert thermische Belastung und Biegung. Der Widerstand in den dünnen Arm ist größer als der Widerstand im Flügle. Daher erwärmt der dünne Arm sich mehr als die Flügel, wodurch der Aktuator  in Richtung der Flügel biegt. Die maximale Verformung tritt bei der Spitze auf. Die Biegung ist eine direkte Funktion der angewandten Spannung. Für die funktionale Anforderung wird diese Biegung im Bereich von [0.2,0.24] μm angegeben. Die äquivalente statische Spannung sollte minimal wie möglichst und die erste Resonanzfrequenz möglichst maximal sein. Beim ersten Entwurfsschritt erfolgt eine Nennwert-Optimierung. Aufgrund der Geometrietoleranzen und Unsicherheit der Material- und Prozess-Parameter, ergibt sich beim Nennwert-Entwurf ein Ausfallwahrscheinlichkeit von 6,69 % für die Fertigung. Beim letzten Entwurfsschritt wird eine Robust-Optimierung durchgeführt um den robusten Entwurf mit NULL Ausfallwahrscheinlichkeit zu erzielen. Die Sensitivitätsstudie identifiziert die einflussreichsten Entwurfs- und Prozess-Parameter. Artikel lesen.

Six Sigma Design eines elektromagnetischen Aktuators

Der Aktuator besteht aus einem Anker, einer Spule und einem Back-Eisen. Der Anker ist eine bewegliche Komponente. Das Back-Eisen ist die stationäre Komponente, die den magnetischen Kreis um die Spule abschließt. Die Spule liefert die vordefinierte Magnetfeld. der Luftspalt ist ein dünn rechteckige Bereich zwischen dem Anker und den Polen der Back-Eisen. Für die funktionelle Anforderung wird die auf den Anker wirkende Kraft im Bereich [-15,-10] N angegeben. Die verkettete magnetische Fluss sollte möglichst minimal sein. Als Ergebnis der Nennwert-Optimierung liefert der Nennwert-Entwurf eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 78,93% für die Fertigung. die durch die Geometrietoleranzen und Unsicherheit der Prozess- und Materialeigenschaften entstehen. Erst die Robust-Optimierung mit der Taguchi Qualitätsverlustfunktion liefert einen rosten Entwurf, bei dem nur eine minimale Ausfallwahrscheinlichkeit von 5,48% in der Fertigung entsteht. Artikel lesen.

Dickfilm-Beschleunigungssensoren in LTCC-Technologie

Stand der Technik in mechanischen Elemente von MEMS in LTCC-Technologie (z. B. für Kraft und Drucksensoren) sind Membranen und Balken. Diese Elemente führen nur kleine Belastungen und kleinen Verformungen. Eine Vielzahl von Sensor- und Aktuatoranwendungen erfordern jedoch bewegliche Elemente, die größere Verformungen trotz niedriger lokalen Stämme ermöglichen. Solche Anwendungen sind z.B. Feder, Beschleunigungsmesser, Antriebe, Stellungsregler und Ventile. Für ein Beschleunigungssensor wird ein Konzept für die Herstellung von Blattfedern in die LTCC-Technologie entwickelt. Das Wirkprinzip des Beschleunigungssensor basiert auf eine seismische Masse auf zwei parallelen Blattfedern. Der Piezo-Widerstände bilden eine Messbrücke. Im ersten Entwurfsschritt wird ein FEM-Modell für die Suche nach einer optimalen Entwurf gemäß der Empfindlichkeitsanforderungen, einschließlich der Resonanzfrequenz verwendet. Im zweiten Schritt wird mittels einer Toleranzanalyse die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der funktionalen Variablen aus der Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Entwurfsparameter durchgeführt. Damit kann man die Wahrscheinlichkeit eines Systemfehlers ableiten. Im letzten Schritt wird  die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems minimiert. Dadurch erhält man einen optimalen Entwurf mit erfüllten Anforderungen. Die Ergebnisse der Berechnungen anhand der FEA-Modelle werden von Messdaten von Prototypen des Beschleunigungsmessers  verglichen. Artikel lesen.

Robust Design eines Schmetterlingsventils

Das Ventil regelt die Strömung im Wasserleitung mit Sandpartikeln. Für die Masserate der Strömung sind der Winkel und der Radius des Ventils von Bedeutung. Für die sichere Funktionserfüllung müssen die Toleranzen und Unsicherheiten der Prozess- und Umweltbedingungen in den Entwurf einbezogen werden. Robust Design ist ein wichtiger Tool für den Entwurf zuverlässiger und hochwertiger Ventile. Die Ausfallsrate konnte von 56,12% zu 0,36% für die Fertigung reduziert werden. Artikel lesen.

Robust-Optimierung einer Mischbatterie

Die Nennwert-Simulation einer Mischbatterie wird von verschiedenen spezialisierten CAD/CAE-Software wie CATIA, ICEM und CFX durchgeführt. Die Vorteile sind eine schnelle Modellierung und detailliertes System-Komponentenverhalten. Der Prozessworkflow wird in OptiY aufgebaut. Für die Meta-Modellierung verwendet man das adaptive Gauss-Prozess, das nur 88 Modellrechnungen für 8 Entwurfsparameter und 1 Entwurfsziel benötigt. Die globalen Sensitivitätsstudie identifiziert die wichtigsten Parameter und seine Interaktionen. Die Robust-Optimierung mit der Taguchi Qualitätsverlustfunktion von der Temperatur am Austritt führt zu einem robusten Design mit einer minimalen Varianz der Wahrscheinlichkeitsverteilung. Artikel lesen.

Entwurfsvisualisierung eines elektromagnetischen Wellenleiters

Die Struktur des Wellenleiters besteht aus einer Kopplung mit einem kleinen metallischen Blatt und einen externen Hohlraum-Resonator, mit dem der Wellenleiter durch ein Loch verbunden ist. Die Definition von Symmetrien S-Parameter ermöglicht die Reduzierung der durchgeführten Berechnung. Die Nennwert-Simulation erfolgt mit CST Microwave Studio. Die Ziele sind die Übertragung und die Reflexion am Arbeitspunkt der 8 GHz. mit dem adaptive Gauß-Verfahren kann man den gesamten Entwurfsbereich in 2D und 3D-Grafiken visualisieren. Die globale nichtlineare und quantitative Sensitivitätsanalyse analysiert die Ursache-Wirkungs-Beziehung für die Entwurfsziele und identifiziert die wichtigsten Parameter und seine Interaktionen. Die Robust-Optimierung mit der Taguchi Qualitätsverlustfunktion führt zu einem Entwurf mit einer minimalen stochastischen  Varianz . Artikel lesen.

Sensitivitätsstudie und Entwurfsoptimierung eines PKW-Radaufhängers

Der Leistungsindex eines PKW-Radaufhängersystems ist die erste rotatorische Y-P-R. Die Leistung und Komfort des PKW ist gekennzeichnet durch minimale Bandbreite von Y-P-R. Es existieren dabei 27 Entwurfsparameter der gemeinsamen Koordinaten. Die Nennwert-Simulation erfolgt mit der Software RecurDyn. Zunächst wird eine globale Sensitivitätsstudie mit Latin-Hypercube-Sampling durchgeführt, um die wichtigsten Entwurfsparameter zu identifizieren und die Komplexität zu verringern. Nur 10 wichtige Entwurfsparameter werden anschließend für den Entwurfsoptimierung zur Verbesserung der Leistung und des Komforts vom  der PKW-Radaufhängers verwendet. Artikel lesen.

Sensitivitätsstudie, Entwurfsoptimierung und probabilistische Simulation eines Rotor-Brems-Systems

Das System besteht aus einm bewegbaren Bremsbelag, einen rotierenden Rotor, das mit dem Rotorblatt verbunden ist. Auf dem Bremsbelag wird ein Druck von 4000 MPa ausgeübt, um die Drehbewegung des Rotors zu bremsen. Für das Bremssystem ist der Kontakt wischen dem Bremsbelag und dem Rotor entscheidend und muss genau untersucht werden, um die Bremswirkung zu optimieren. Zuerst wird eine globale Sensitivitätsstudie durchgeführt, danach eine Entwurfsoptimierung, um einen optimalen Entwurf mit einem maximalen Kontaktdruck zu erzielen. Wegen der Unsicherheit der Prozess- und Umweltparameter sowie der Toleranzen, streuen die Kontaktdruck ständig in der Realität. Die probabilistische Simulation berechnet anschließend die stochastische Streuungen der Entwurfsziele. Die Sensitivität des optimalen Entwurfes zeigt die Ursache-Wirkungs-Beziehung für diese Streuungen. Artikel lesen.

Ausfall- und Lebensdauerbewertung der geschweißten Stahlkonstruktionen

Für die Ausfall- und und Lebensdauerbewertung der geschweißten Stahlkonstruktionen ist es wichtig, die meist beeinflussenden Entwurfsparameter zu identifizieren und die Ursache-Wirkungs-Beziehung zu veranschaulichen. Die Nennwert-Simulation erfolgt mit ANSYS, wobei die Modellparameter durch Messdaten ermittelt wurden, um das Modellverhalten zu validieren. Die globale varianzbasierte Sensitivitätsstudie wird in OptiY durchgeführt. daraus werden bedeutende Empfehlungen für den Entwurfsprozess durch gezielte Änderung der Entwurfsparameter abgeleitet, um das Ausfallrate zu minimieren und die Lebensdauer der geschweißten Stahlkonstruktionen zu verbessern. Artikel lesen.

Entwurfsoptimierung eines Blindschriftdrucker-Antriebes

Der elektromagnetische Antrieb wird für das Blindschriftdrucker  verwendet. Die Entwurfs-optimierung umfasst stochastische Variablen, Nennwert-Optimierung, Robustheitsanalyse und Robust-Optimierung. Ein heterogenes Modell simuliert die statische und das dynamische Verhalten des Antriebes und seine nichtlineare Last. Es besteht aus einem Netzwerkmodell in SimulationX und eine statische magnetische FEA-Modell in COMSOL Multiphysics. Das Netzwerkmodell verwendet die Tabellen der Magnetkraft und der verketteten Flussdichte vom FEA-Modell. Um den Rechenaufwand zu reduzieren wird Antwortflächenverfahren angewendet. Dadurch lässt sich eine hohe Genauigkeit der stochastischen Analyse und Optimierung erzielen. Artikel lesen.