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'10
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MAPLESOFT
Renault nutzt die Mathematiksoftware Maple zur Abschätzung des Risikos von Motorschäden.
Die Abteilung für Maschinenbau des französischen Autoherstellers Renault hat mit Maple ein Modell entwickelt, das das Verhalten eines geschmierten mechanischen Systems allgemein beschreibt, um mögliche Motorschäden vorhersagen zu können. Diese Modellierungsverfahren ist bekannt als 0D-1D-Modellierung und konzentriert sich auf die Beschreibung des physikalischen Verhaltens über die Zeit. Auf diese Weise vermeidet der Hersteller zusätzliche Kosten von schätzungsweise 1 bis 2 Millionen Euro, falls die ersten Prototypen eine Neigung zum Festlaufen zeigen.
Das Problem des Festfressens kann in vielen komplexen mechanischen Systemen auftreten. Es ist Folge eines großen thermischen Ungleichgewichts zwischen der zugeführten und der abgeleiteten Energiemenge und kann in vielerlei Formen auftreten, etwa als plötzliche Zunahme des Reibungskoeffizienten, als Überhitzung und Zerstörung der berührenden mechanischen Teile, oder als Blockade der Bewegungen in dem mechanischen System. Solche Störfälle zu vermeiden ist eine der wesentlichen Aufgaben für die Konstrukteure von Wärmekraftmaschinen, speziell bei den Automobilherstellern. Wenn die ersten Prototypen eine Neigung zum Kolbenfresser zeigen, kann dies zu Verzögerungen und deutlichen Mehrkosten führen, abgesehen von den zusätzlichen Kosten aufgrund der Verzögerungen des Projekts, die umso teurer werden, je näher der Produktionsanlauf rückt.
Das Festlaufen eines Systems kann mehrere Ursachen haben, etwa zu viel oder zu wenig Spiel, raue Oberflächen, Verschmutzungen und so weiter. Eine steht jedoch fest: Ein Modell, mit dem sich ein Kolbenfresser vorhersagen lässt und das hilft, Konstruktionsempfehlungen aufzustellen ist ein entscheidender Gewinn für den Konstrukteur.
Zweck des Maple-Modells ist die Beschreibung des allgemeinen Verhalten eines geschmierten mechanischen Systems durch die Berechnung des Systemverhaltens an einer begrenzten Zahl von Messpunkten und mit Hilfe der physikalischen Größen, mit denen sich das Festfressen vorhersagen lässt. Im Unterschied zu detaillierten Modellen, wie etwa der Finite-Elemente-Methode, erlauben 0D-1D-Modelle eine gute physikalische Interpretation der Ergebnisse und bieten zudem viel bessere und schnellere Möglichkeiten einer Optimierung.
Das von Renault entwickelte Modell besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil errechnet verschiedene Wertetabellen auf Basis eines vorhandenen schmierungstechnischen Modells, während der zweite Teil temperaturbezogene Aspekte behandelt, die auf diesen Wertetabellen beruhen. Im physikalischen Sinne behandelt die Modellierung als Ganzes zwei zylindrische Oberflächen in einem Zustand der Teilschmierung.
Die physikalischen Vorgänge, die dabei im Spiel sind, sind äußerst komplex:
– Schmierung (Berechnung von dünnen zähflüssigen Oberflächenschichten mit einer niedrigen Reynolds-Zahl)
– Kavitation (Phasenübergang im Ölfilm)
– nichtnewtonsche Fluide (Piezoviskosität und Effekte der Schergeschwindigkeit)
– Einfluss der Wandelastizität
– Mikrokontakte als Ursache von Reibung und Erwärmung
– verstärkte Konvektion und Wärmeleitung durch das Fluid
Aufgebaut wurde das Modell über eine Beschreibung der kombinierten Effekte dieser Phänomene, indem deren Gleichungen in die Maple-Software eingegeben wurden. Einige der Gleichungen zur Beschreibung der Temperatureffekte bei diesem Prozess sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Bedienerschnittstelle für technische Dokumente der Maple-Software ermöglicht die Eingabe mathematischer Ausdrücke auf natürliche Weise und vereinfacht so das Aufstellen der Gleichungen.
Das parametrische Modell, das mit Hilfe von Maple aufgestellt wurde, ermöglicht die Vorhersage des Risikos eines Trockenlaufs und erleichtert das Verständnis der stattfindenden Vorgänge.
Überhitzungen mit daraus folgendem Festlaufen treten üblicherweise nur über sehr kurze Zeitspannen auf, dennoch ist es sehr wichtig, die Umstände vollständig zu verstehen, unter denen es zu den seltenen Überhitzungen über längere Zeiträume kommt. Das mit Hilfe von Maple erstellte 0F/1D-Modell ermöglicht eine Zuordnung der Klemmungen zu vielen unterschiedlichen Paramatern. Allgemeiner gesagt, ermöglicht es eine Vorhersage des Festlaufverhaltens entsprechend einem gegebenen Satz von Parametern.
»Das parametrische Modell, das wir mit Maple aufgestellt haben, ermöglicht uns, mehr Physik in die Modellierung von Phänomenen zu bringen und damit auch dort Antworten zu finden, wo klassische Systeme nicht weiterhelfen«, sagt Mr. Ligier, Leiter von Forschung und Entwicklung der Maschinenbauabteilung von Renault. »Dieser Ansatz ermöglicht schnelle Iterationen, für Empfindlichkeitsanalysen oder Zuordnungen und liefert uns in ultrakurzer Zeit Antworten auf alle Fragestellungen, die sich bei einer wettbewerbsfähigen Entwicklung in der Industrie stellen können.«
In der Abteilung Maschinenbau von Renault nutzt die Maple-Software derzeit für die physikalische 0D/1D-Modellierung von Systemen. Dieser Ansatz liefert in sehr kurzer Zeit technische Empfehlungen für ein weites Anwendungsfeld.
Das Festlaufen eines Systems kann mehrere Ursachen haben, etwa zu viel oder zu wenig Spiel, raue Oberflächen, Verschmutzungen und so weiter. Eine steht jedoch fest: Ein Modell, mit dem sich ein Kolbenfresser vorhersagen lässt und das hilft, Konstruktionsempfehlungen aufzustellen ist ein entscheidender Gewinn für den Konstrukteur.
Zweck des Maple-Modells ist die Beschreibung des allgemeinen Verhalten eines geschmierten mechanischen Systems durch die Berechnung des Systemverhaltens an einer begrenzten Zahl von Messpunkten und mit Hilfe der physikalischen Größen, mit denen sich das Festfressen vorhersagen lässt. Im Unterschied zu detaillierten Modellen, wie etwa der Finite-Elemente-Methode, erlauben 0D-1D-Modelle eine gute physikalische Interpretation der Ergebnisse und bieten zudem viel bessere und schnellere Möglichkeiten einer Optimierung.
Das von Renault entwickelte Modell besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil errechnet verschiedene Wertetabellen auf Basis eines vorhandenen schmierungstechnischen Modells, während der zweite Teil temperaturbezogene Aspekte behandelt, die auf diesen Wertetabellen beruhen. Im physikalischen Sinne behandelt die Modellierung als Ganzes zwei zylindrische Oberflächen in einem Zustand der Teilschmierung.
Die physikalischen Vorgänge, die dabei im Spiel sind, sind äußerst komplex:
– Schmierung (Berechnung von dünnen zähflüssigen Oberflächenschichten mit einer niedrigen Reynolds-Zahl)
– Kavitation (Phasenübergang im Ölfilm)
– nichtnewtonsche Fluide (Piezoviskosität und Effekte der Schergeschwindigkeit)
– Einfluss der Wandelastizität
– Mikrokontakte als Ursache von Reibung und Erwärmung
– verstärkte Konvektion und Wärmeleitung durch das Fluid
Aufgebaut wurde das Modell über eine Beschreibung der kombinierten Effekte dieser Phänomene, indem deren Gleichungen in die Maple-Software eingegeben wurden. Einige der Gleichungen zur Beschreibung der Temperatureffekte bei diesem Prozess sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Bedienerschnittstelle für technische Dokumente der Maple-Software ermöglicht die Eingabe mathematischer Ausdrücke auf natürliche Weise und vereinfacht so das Aufstellen der Gleichungen.
Das parametrische Modell, das mit Hilfe von Maple aufgestellt wurde, ermöglicht die Vorhersage des Risikos eines Trockenlaufs und erleichtert das Verständnis der stattfindenden Vorgänge.
Überhitzungen mit daraus folgendem Festlaufen treten üblicherweise nur über sehr kurze Zeitspannen auf, dennoch ist es sehr wichtig, die Umstände vollständig zu verstehen, unter denen es zu den seltenen Überhitzungen über längere Zeiträume kommt. Das mit Hilfe von Maple erstellte 0F/1D-Modell ermöglicht eine Zuordnung der Klemmungen zu vielen unterschiedlichen Paramatern. Allgemeiner gesagt, ermöglicht es eine Vorhersage des Festlaufverhaltens entsprechend einem gegebenen Satz von Parametern.
»Das parametrische Modell, das wir mit Maple aufgestellt haben, ermöglicht uns, mehr Physik in die Modellierung von Phänomenen zu bringen und damit auch dort Antworten zu finden, wo klassische Systeme nicht weiterhelfen«, sagt Mr. Ligier, Leiter von Forschung und Entwicklung der Maschinenbauabteilung von Renault. »Dieser Ansatz ermöglicht schnelle Iterationen, für Empfindlichkeitsanalysen oder Zuordnungen und liefert uns in ultrakurzer Zeit Antworten auf alle Fragestellungen, die sich bei einer wettbewerbsfähigen Entwicklung in der Industrie stellen können.«
In der Abteilung Maschinenbau von Renault nutzt die Maple-Software derzeit für die physikalische 0D/1D-Modellierung von Systemen. Dieser Ansatz liefert in sehr kurzer Zeit technische Empfehlungen für ein weites Anwendungsfeld.
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