1. FunctionalDMU – virtuelle mechatronische Modelle werden erlebbar
Dr.-Ing. André Stork
Fraunhofer Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD
Fraunhoferstraße 5
64283 Darmstadt
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2. Abgrenzung und Zielsetzung
 Digitales Versuchsmodell (Digital Mock-Up – DMU)
 repräsentiert Gesamtgeometrie (Baugruppen, Einzelteile)
 erlaubt Analysen von Gestalt und Funktion frühzeitig(er) in digitaler Form
 ersetzt teilw. physikalische Versuchsmodelle
 spart Zeit und Geld
 DMU-Softwarewerkzeuge – typische Funktionen
 Ein- und Ausbauuntersuchungen
 Kollisionsprüfungen © Teraport
 Baubarkeitsprüfungen
 d.h. geometrische Analysen
© Teraport
© IGD

3. Abgrenzung und Zielsetzung
 Ist Funktion im Sinne von geometrischer Analyse alles?
 Sehen wir uns eine Autotür einmal genauer an …
Fensterscheibe Innenverkleidung
Außenhaut
Türinnenleben
(Mechanik) Software
Elektromotor Steuerung (ECU)

4. Abgrenzung und Zielsetzung
 Limitationen von DMU-Werkzeugen
 simuliert werden nur mechanische (geometrische) Zusammenhänge
 Softwareanteile werden (noch) nicht simuliert
 Elektrik/Elektronikanteile werden (noch) nicht simuliert
 Vision: FunctionalDMU
 noch nicht existierende Software
 läuft auf noch nicht existierender HW (Elektronik / Mechanik) und
 steuert / bewegt digitale (Geometrie-)Modelle

5. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Es existieren Werkzeuge zur Simulation von
Software, Elektronik und Mechanik
 Verhalten wird in unterschiedlichen ‚Sprachen‘ modelliert
 Verhaltensmodelle werden auf
unterschiedlichen Simulatoren simuliert
 d.h. wir haben ein Integrationsproblem
 Herausforderung: Heterogenität
Spice
Rhapsody
Dymola
DMU-Geometriemodelle Verhaltensmodellierungssprachen Simulatoren

6. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Widmen wir uns zunächst den Verhaltensmodellen …
Verhaltensmodellierungssprachen

7. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 … am Beispiel Autotür
 Welche Verhaltensmodelle können wir identifizieren?
 Schalter
 Software / ECU
 E-Motor
 (Scheren-)Mechanik
 Fensterscheibe

8. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Welches Problem können wir identifizieren?
 Datenaustausch zwischen
nativen Verhaltensmodellen
 Herausforderung:
 Unterschiedliche Sprachen
 Unterschiedliche Syntax
 Unterschiedliche Datentypen

9. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Lösungsstrategie: Einheitliches Datenformat
Einheitliches
Datenformat

10. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Wie sieht das einheitliche Datenformat aus?
 Existieren Standards?
 SysML
 Modelica
 VHDL-AMS
 Beispiel: SysML (Systems Modeling Language)
 Modellierungssprache für das Systems Engineering
 Anforderungs- und Systemmodellierung
 XML-basiert
 kann mit UML/XML-Werkzeugen erzeugt und verarbeitet werden

11. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Abbildung der Schnittstelle nativer Verhaltensmodelle auf
standardisiertes Datenformat
 Kapselung von Verhaltensmodellen am Beispiel Controller
Controller (SysML)
Vereinheitlicht
beschriebene
Schnittstellen-
größen des Ver-
haltensmodells
Controller (nativ)
Native Schnittstellen-
größen des
Verhaltensmodells

12. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Zusammenfügen zu einem Gesamtverhaltensmodell
U 
up f
down s
I 
 Ergänzen um Geometriemodelle im Sinne einer objekt-orientierten
Kapselung

13. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Zwischenergebnis
 Homogene Beschreibung der Schnittstellen der Verhaltensmodelle
 Im nächsten Schritt …
 Betrachtung der Simulationskomponenten …

14. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Herausforderung:
Heterogenität der Simulationskomponenten
Spice
Rhapsody
Dymola
Simulatoren

15. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Herausforderung: Heterogenität der Simulatoren
 Unterschiedliche APIs
 Verschiedene Programmiersprachen
 Unterschiedliche Plattformen
Simulatoren Rhapsody Dymola
Dymola Simpack
Simpack
 Wie kann man Heterogenität überwinden?

16. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Lösungsstrategie: Wrapper
 Vorteile von Wrappern
 Vereinheitlichung der Schnittstellen
 Erhöhte Wartungsfreundlichkeit
Wrapper Wrapper Wrapper
Simulatoren Rhapsody Dymola Simpack

17. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Welche Informationen erhalten die Wrapper?
 Was machen die Wrapper?
 Abbildung auf interne Simulationsgrößen
 Kommunikation mit dem jeweiligen Simulator
 Bereitstellen von Ergebnissen im Standardformat
Schnittstellen-
Wrapper Wrapper Wrapper
beschreibungen
Simulatoren Rhapsody Dymola Simpack
Verhaltensmodelle

18. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Was brauchen wir jetzt noch?
 Kommunikation und Koordination 
 Lösungsstrategie: zentraler Manager
 Welche Informationen erhält der Mastersimulator?
Gesamtver-
haltensmodell Mastersimulator
Schnittstellen-
Wrapper Wrapper Wrapper
beschreibungen
Simulatoren Rhapsody Dymola Simpack
Verhaltensmodelle

19. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Wir sind immer noch nicht ganz fertig …

Gesamtverhaltensmodell
Interaktive Visualisierung und Geometriemodelle
Gesamtver-
haltensmodell Mastersimulator
Schnittstellen-
Wrapper Wrapper Wrapper
beschreibungen
Simulatoren Rhapsody Dymola Simpack
Verhaltensmodelle

20. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 Was haben wir erreicht?
 FunctionalDMU-Framework
 Offenheit
 Erweiterbarkeit
 Flexibilität
 Wartbarkeit
 Dateibasiert konfigurierbar (Standardformate)
 Plus, bei Wahl einer geeigneten Middleware
 Unabhängigkeit von
 Plattformen / Betriebssystemen
 Programmiersprachen
 Verteiltheit

21. Herausforderungen und Lösungsstrategien
 FunctionalDMU-Laufzeitumgebung
PC1
Win-
dows
Mastersimulator
Wrapper Wrapper Wrapper
PC2
Rhapsody Dymola Simpack
PC3
PC3
Linux
Windows Linux

22. Beispiel: Fensterheber
 Video

23. Beispiel: Fensterheber
 Video

24. Weitere Beispiele

25. Zusammenfassung
 Was mitnehmen?
 DMU-Konzept und Limitationen von heutigen DMU-Umsetzungen
 FunctionalDMU-Konzept
 Erste Umsetzung
 Offene, domänen- und simulator-übergreifende Umgebung
 SW-Simulation: Rhapsody
 Mechanik: SimPack
 E/E: Saber
 E/E: Dymola (Modelica)
 Div.: Matlab/Simulink
 Ausblick
 Kollisionserkennung
 FE-Ergebnisse (Post-Processing)

26. Kontakt und Projektkonsortium