Wo FEM- und CFD-Analysen präzise Aussagen über einzelne Bauteile und überschaubare Baugruppen liefern, untersucht die dynamische Systemsimulation zeitveränderliche Vorgänge ganzer Systeme. Diese Systeme können auch aus Komponenten unterschiedlicher physikalischer Domänen bestehen. Somit lassen sich zum Beispiel die Wechselwirkungen und resultierenden Effekte aus Regelstrecken gekoppelt mit mechanischen, hydraulischen und oder elektrischen Strukturen komfortabel in nur einem Modell auf einer Plattform betrachten.

Mittels Konzeptauswahlmethoden werden die leitradlose konstante Radialturbine und die teilbeaufschlagte Turbine als favorisierte Turbinenkonzepte für Brennstoffzellensysteme identifiziert, da sie einen guten Kompromiss der zuvor ermittelten Systemanforderungen (in Kap. 3) ermöglichen. Aus den Ergebnissen der Systemsimulation geht hervor, dass im Fall einer konstanten Radialturbine eine aktive Druckregelung mit einem Ventilsystem am Austritt der Turbine notwendig ist, um die geforderte Anforderung hinsichtlich der Ansprechzeit zu erfüllen. Aufgrund der geringeren Sensitivität zwischen Verteilervolumen und minimaler Ansprechzeit des Systems ist eine Anwendung auch für Systeme mit einer höheren Anzahl an Brennstoffzellen möglich. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit der teilbeaufschlagten Turbine zeigen, dass die geforderte Ansprechzeit mit 25% Beaufschlagungsgrad im Vollastpunkt möglich ist, was jedoch zu deutlich schlechteren Turbinenwirkungsgraden führt als im Fall einer konstanten Radialturbine. Da sich das Konzept der leidradlosen konstanten Radialturbine sowohl im Rahmen der Konzeptevaluation als auch anhand der durchgeführten Systemsimulationen als vielversprechend erweist, wird es für die nächsten Auslegungsschritte in Abb. 2 verwendet. In zukünftigen Arbeiten werden zusätzlich dazu alternative Möglichkeiten zur Teilbeaufschlagung entwickelt, welche einen höheren Wirkungsgrad im Volllastbetriebspunkt ermöglichen.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozedur zur Ordnungsreduktion von Finite Elemente Modellen mikromechanischer Struktur mit elektrostatischem Wirkprinzip entwickelt und analysiert. Hintergrund der Ordnungsreduktion ist eine Koordinatentransformation von lokalen Finite Elemente Koordinaten in globale Koordinaten. Die globalen Koordinaten des reduzierten Modells werden durch einige wenige Formfunktionen beschrieben. Damit wird das Makromodell nicht mehr durch lokale Knotenverschiebungen beschrieben, sondern durch globale Formfunktionen, welche die gesamte Deformation der Struktur beeinflussen. Es wird gezeigt, dass Eigenvektoren der linearisierten mechanischen Struktur einfache und effiziente Formfunktionen darstellen. Weiterhin kann diese Methode für bestimmte Nichtlinearitäten und für verschiedene in Mikrosystemen auftretende Lasten angewendet werden. Das Ergebnis sind Makromodelle, die über Klemmen in Systemsimulatoren eingebunden werden können, die Genauigkeiten einer Finite Elemente Analyse erreichen und für Systemsimulationen typische Laufzeitverhalten besitzen.

Wo FEM- und CFD-Analysen präzise Aussagen über einzelne Bauteile und überschaubare Baugruppen liefern, untersucht die dynamische Systemsimulation zeitveränderliche Vorgänge ganzer Systeme. Diese Systeme können auch aus Komponenten unterschiedlicher physikalischer Domänen bestehen. Somit lassen sich zum Beispiel die Wechselwirkungen und resultierenden Effekte aus Regelstrecken gekoppelt mit mechanischen, hydraulischen und oder elektrischen Strukturen komfortabel in nur einem Modell auf einer Plattform betrachten.

Moderne Produkte stellen Herausforderungen in unterschiedlichsten physikalischen Domänen, die alle bei der Produktentwicklung berücksichtigt werden müssen. Ansys hat nicht nur das richtige Werkzeug für jeden einzelnen physikalischen Bereich, sondern ermöglicht darüber hinaus, das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Phänomene vorherzusagen und zu bewerten. An Beispielen zeigen wir die Möglichkeiten zur multiphysikalischen Kopplung in der produktübergreifenden Benutzeroberfläche von Ansys auf. / Modern products pose challenges in various physical domains that must all be considered during product development. Ansys not only has the right tools for each individual physical domain, but also enables the prediction and evaluation of the complex interactions of different phenomena. We present the possibilities for multiphysics coupling in the cross-product user interface of Ansys with some examples.

Im Maschinen- und Fahrzeugbau wird die erfolgreiche Auslegung komplexer Antriebssysteme zunehmend durch leistungsfähige Simulationstechniken unterstützt. Das dynamische Zusammenspiel von verschiedenartig aufgebauten und miteinander vernetzten Teilsystemen aus unterschiedlichen physikalischen Domänen kann ausschließlich durch eine ganzheitliche Systembetrachtung untersucht und optimiert werden. Hierbei stehen besonders die Funktion, Effizienz und Prozesssicherheit in der Produktherstellung im Vordergrund. Dieser Beitrag beinhaltet die Entwicklung von Bibliothekselementen zur effektiven Simulation von Band- und Koppelgetrieben innerhalb einer Simulationsumgebung. Mit einem speziell für ebene Mechanismen erarbeiteten seriellen Schnittstellenkonzept lassen sich innerhalb kurzer Zeit beliebige Getriebestrukturen frei zu einem vollständigen Antriebssystem aufbauen. Mit den neu geschaffenen Elementen können neben den allgemein bekannten Getriebeaufbauten auch Bandgetriebe modelliert werden, bei denen ein Zugmittel über Unrundscheiben, lose und feste Rollen, durch eine Abzugsdüse oder sogar über Glieder von Koppelgetrieben geführt wird. Zudem wird ein praktikables Verfahren zur Maßsynthese von Ausgleichsmechanismen mit Feder-Bandgetrieben vorgestellt sowie ein vollständiges Bewertungskriterium, das eine sichere Aussage über die physikalische Existenz einer berechneten Bandkurvenscheibenkontur hinsichtlich Stetigkeit und Konvexität zulässt. Abschließend wird anhand von Beispielen die Leistungsfähigkeit der neuen Elemente im Kontext der Gesamtsimulation demonstriert. / This paper shows the development of library elements for effective simulation of planar band mechanism and linkage gears. A specially design concept for planar mechanisms interface is able to save modelling time to build up multiple transmission structures for a complete drive system. Only by a few steps band transmissions can be modeled in which a band winded on cam discs as well as loose and fixed pulleys, eyelets of textile machines or even guided by a couple point of a linkage gear.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Methode der modalen Superposition als Ordnungsreduktionsverfahren in der Mikrosystemtechnik. Typische Anwendungsgebiete sind Inertialsensoren und dabei im Besonderen Drehratensensoren, für die die Simulation von zeitabhängigen Phänomenen von entscheidender Bedeutung ist. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Ordnungsreduktion nach der Methode der modalen Superposition ist es gelungen für typische lineare Kräfte eine auf analytischen Gleichungen basierende Beschreibung im reduzierten Raum zu finden. Für die Beschreibung von nichtlinearen Kräften ist im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt worden, das es erlaubt, bestehende Modelle im Finite-Elemente-Raum in der modalen Beschreibung zu nutzen. In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Berücksichtigung von Einflüssen der Aufbau- und Verbindungstechnik in ordnungsreduzierten Modellen dargestellt. Neben der Einkopplung äußerer Kräfte und der Veränderung der mechanischen Randbedingungen wird auch der Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die elektrostatischen Eigenschaften untersucht. Die Parametrisierung des Verfahrens der modalen Superposition über Fit- und Interpolationsverfahren erlaubt es, parametrisierte ordnungsreduzierte Modelle für die zeitabhängige Systemsimulation zu generieren. Damit wird die Durchführung von Designoptimierung und die Berücksichtigung von Fertigungs- und Prozessschwankungen in ordnungsreduzierten Modellen auf Systemebene möglich.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Prozedur zur Ordnungsreduktion von Finite Elemente Modellen mikromechanischer Struktur mit elektrostatischem Wirkprinzip entwickelt und analysiert. Hintergrund der Ordnungsreduktion ist eine Koordinatentransformation von lokalen Finite Elemente Koordinaten in globale Koordinaten. Die globalen Koordinaten des reduzierten Modells werden durch einige wenige Formfunktionen beschrieben. Damit wird das Makromodell nicht mehr durch lokale Knotenverschiebungen beschrieben, sondern durch globale Formfunktionen, welche die gesamte Deformation der Struktur beeinflussen. Es wird gezeigt, dass Eigenvektoren der linearisierten mechanischen Struktur einfache und effiziente Formfunktionen darstellen. Weiterhin kann diese Methode für bestimmte Nichtlinearitäten und für verschiedene in Mikrosystemen auftretende Lasten angewendet werden. Das Ergebnis sind Makromodelle, die über Klemmen in Systemsimulatoren eingebunden werden können, die Genauigkeiten einer Finite Elemente Analyse erreichen und für Systemsimulationen typische Laufzeitverhalten besitzen.

Wie hoch ist die Leistungsdichte, Energieeffizienz, Fahrdynamik oder der Fahrkomfort? Wie wirken unterschiedliche, physikalische Systeme zusammen und wie können die mechatronischen Zusammenhänge verständlich dargestellt werden? Solche und andere Fragestellungen tauchen im Entwicklungsprozess immer wieder auf und lassen sich nur schwer zufriedenstellend beantworten. Die Systemsimulation liefert da einen effizienten Ansatz, welcher es dem Entwicklungsingenieur ermöglicht bereits in der Konzeptphase virtuelle Prototypen zu erstellen. Mit diesen kann dann das physikalische Verhalten simuliert, analysiert und anschließend optimiert werden. Dadurch ergibt sich bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung die Möglichkeit, alle zukünftigen Entscheidungen auf einer validen Basis zu treffen. ESI ́s SimulationX liefert für diese Anwendungsfälle eine umfassende softwaretechnische Lösung. Besonders im Bereich der E- Mobility sowie ihrer Peripherie ermöglicht die Software mit seinen anwendungsspezifischen Modellbibliotheken eine ganzheitliche Betrachtung.

Das Betriebsverhalten eines elektrischen Turboladers zur Bedruckung des Kathodengassystems eines automobilen Brennstoffzellensystems wird unter Berücksichtigung der feuchten Brennstoffzellenabluft untersucht. Basierend auf den Komponentenkennfeldern von Elektromotor, Leistungselektronik, Lagerung und Turbomaschinenkomponenten werden stationäre und transiente Betriebslinien berechnet, anhand derer eine Betriebspunktverschiebung gezeigt wird. Diese kann auf die Einflüsse der Gaszusammensetzung und Kondensation in der Turbine zurückgeführt werden. Anhand von drei stationären Betriebspunkten wird die Zusammensetzung der Verluste innerhalb der Maschine gezeigt. Die Verzögerung wird zudem als kritisches Manöver im transienten Betrieb durch signifikante Abnahme des Pumpgrenzabstands identifiziert. / The performance of an electric turbocharger for the cathode gas supply system of an automotive fuel cell system is investigated considering moist air off gasses. Based on the component performance maps of electric motor, power electronics, bearings and turbomachinery, steady state and transient operating lines are calculated and a shift of operating points is shown. These can be traced back to the influence of gas composition and condensation within the turbine. Based on three operating points, losses inside the machine are characterized. Furthermore, deceleration is identified as the most critical transient operating scenario due to a significant decrease of the surge margin.