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ChipSim

Thema: 

ChipSim – Modellierung und Simulation plastoelastischer Objektinteraktionen

Zeitraum: 

WS 2011/2012, SS 2012

Umfang: 

8 SWS pro Semester

Veranstalter: 

LS Informatik 7

Institut für Spanende Fertigung

Einzelpräsentation: 

Mittwoch, den 18.05. um 12.15 Uhr in der OH14, Raum E04

Materialien: 

Folien der Projektgruppenvorstellung im pdf-Format: ...sind bald hier verfügbar.

Thematik: 

Zahlreiche Komponenten in der Luft- und Raumfahrttechnik (Abbildung 1) – wie beispielsweise Turbinenschaufeln – werden mittels spanender Fertigungsverfahren hergestellt [6]. Zur optimalen Prozessauslegung werden Simulationssysteme eingesetzt [11], welche den Materialabtrag und die daraus resultierenden Kräfte gut abbilden sowie die Kinematik des Prozesses inklusive Kollisionsberechnung sehr gut simulieren können. Zur detaillierten Analyse des Fräsprozesses ist darüber hinaus eine genaue Betrachtung des Materialabtrags notwendig. Diese sogenannte Spanbildung lässt sich allgemein dadurch beschreiben, dass sich ein in erster Näherung starrer Körper (die Schneide) durch einen anderen nichtstarren Körper (das Werkstück) bewegt (Abbildung 2a), der dadurch plastischen und elastischen Deformationen unterworfen wird (Abbildung 2b). Im Gegensatz zu relativ rechenzeitaufwändigen Finite-Elemente-Simulationen (Abbildung 2c) haben sich partikelbasierte Simulationssysteme als vielversprechend erwiesen [74], da diese eine wesentlich einfachere Beschreibung der physikalischen und geometrischen Effekte erlauben.

Anwendungsbeispiel aus der Luft- und Raumfahrttechnik
Abbildung 1: Anwendungsbeispiel aus der Luft- und Raumfahrttechnik

Ausgehend von dieser Problemstellung ist die Zielsetzung dieser Projektgruppe der Entwurf und die Implementierung eines interaktiven Simulations- und Visualisierungssystems zur Untersuchung der Spanbildung. Dazu können ein Smoothed-Particle-Ansatz wie beispielsweise Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) [2], Moving-Least-Squares-Approximation (MLS) oder einfache Ersatzsysteme [10] entwickelt und umgesetzt werden. Hierzu benötigte Datenstrukturen, Algorithmen und Konzepte sind aus entsprechenden Vorlesungen wie zum Beispiel MMI, GM, DV oder GDV bekannt. Mithilfe des zu entwickelnden Softwaresystems zur Modellierung und Simulation plastoelastischer Objektinteraktionen sollen realistische Effekte – wie zum Beispiel Quetschvorgänge unter der Schneide (vergleiche Abbildung 2b) – qualitativ abgebildet werden.

Simulation eines Spanbildungsprozesses
Abbildung 2:
a) Simulation eines Spanbildungsprozesses (DaimlerChrysler AG, wbk),
b) reale Spanbildung. Es wird Material abgenommen (Span) und unter der Schneide hindurchgedrückt (iwf) und
c) vernetzte Modellierung eines Spans (Kennametal Technologies GmbH)

Aufgabenbeschreibung

Zur Lösung der Problemstellung sind im Rahmen dieser Projektgruppe Methoden der geometrischen Modellierung und Visualisierung sowie mathematische Lösungsverfahren zu entwerfen, zu implementieren und anhand einfacher geometrischer Anwendungsfälle und des komplexeren Spanbildungsvorganges zu validieren. Zur Umsetzung der geplanten Teilaufgaben ergeben sich daraus folgende Arbeitsschritte, die von Kleingruppen bearbeitet werden können:

  1. Modellerstellung: Als Grundlage ist zunächst ein Modell zu erstellen, das in der Lage ist, geometrische Objekte und ihre Eigenschaften zu beschreiben. Hierzu können bereits bekannte Methoden (wie beispielsweise SPH [9]) eingesetzt und an die spezielle Aufgabenstellung angepasst werden. Dabei sollte eine erweiterbare objektorientierte Modellierung im Vordergrund stehen, die allerdings auch hohe Berechnungsgeschwindigkeiten zulässt. Neben der Integration einfacher geometrischer Primitive soll auch eine Schnittstelle für komplexe Objekte implementiert werden, die auf der Basis eines flexiblen Beschreibungsformats wie XML basiert.
  2. Kollisionsdetektion: Zur Simulation der Objektinteraktion ist unter Verwendung von Methoden der Kollisionserkennung eine Kopplung zwischen geometrischen und partikelbasierten Komponenten der Simulation zu entwerfen. Neben der konkreten Kollisionserkennung sollen auch Beschleunigungstechniken wie zum Beispiel Hüllvolumen und hierarchische Raumunterteilungsverfahren zum Einsatz kommen [1].
    Simulierte Kollision einer plastoelastischen Kugel mit einer starren Fläche
    Abbildung 3: Simulierte Kollision einer plastoelastischen Kugel mit einer starren Fläche [5]
  3. 3D-Visualisierung: Für einen intuitiven Zugang zu Modellen und späteren Ergebnissen ist eine flexible Echtzeitvisualisierung zu realisieren. Außerdem können physikalische Größen, wie zum Beispiel Geschwindigkeiten, unter Verwendung von geeigneten Visualisierungskonzepten dargestellt werden.
  4. GPGPU-Programmierung: Zur Implementierung einer interaktiven Visualisierung bietet sich die Verwendung einer existierenden grafischen Programmierschnittstelle wie OpenGL [8] und die Nutzung von GPGPU-Techniken an. Auch können diese Techniken zur Beschleunigung von Berechnungen unter Verwendung GPU-basierter Ansätze (Cuda, OpenCL) genutzt werden.
  5. Grundlegende Tests mit geometrischen Primitiven: Zur Validierung des entwickelten Frameworks sind einfache Testfälle zu generieren und zu implementieren. Mindestens visuell sollen sich dabei in der Simulation realistische Effekte zeigen. Dieses können einfache Kollisionen zwischen primitiven geometrischen Objekten sein, die generierten Bahnen folgen oder Kräften unterliegen.
  6. Realisieren einer Zerspansimulation: Das in den vorherigen Schritten implementierte Simulationsframework wird in diesem Arbeitspaket erweitert, um den Materialabtrag während eines Fräsprozesses nachbilden zu können. Hierzu müssen grundlegende Methoden für die Beschreibung von Bewegungsbahnen und zur Modellierung des Werkzeugs entwickelt werden. Anhand einer einfachen Relativbewegung zwischen Werkzeug und Material ist zu überprüfen, ob die Simulation realistische Effekte vorhersagen kann (Abbildung 2b).

Bei der Umsetzung dieser Anforderungen in ein Softwaresystem sollen verschiedene Entwurfsphasen durchlaufen werden [3], welche u. a. die Erstellung von Lasten- und Pflichtenheft oder die Erstellung von Gantt Charts beinhaltet. Zudem sollen adäquate Werkzeuge (Quellcodeverwaltung, Wiki-System, Bugtracking) eingesetzt werden – dieses geht mit der angestrebten modularen Umsetzung einher. Die Themenstellung beinhaltet aktuelle Forschungsschwerpunkte des LS VII und des ISF und bietet damit den Studierenden die Möglichkeit für anschließende Master- oder Diplomarbeiten.

Teilnahmevoraussetzungen

  • Notwendige Voraussetzungen

    • Kenntnisse in Geometrieverarbeitung, Computergrafik oder grafischer Datenverarbeitung
    • Kenntnisse einer objektorientierten Programmiersprache (z. B. C++ oder Java)
  • Wünschenswerte Kenntnisse

    • Geometrischem Modellieren, Datenvisualisierung oder digitaler Bildverarbeitung
    • Software-Technologie
    • DirectX- oder OpenGL-Programmierung

Minimalziele

Die Minimalziele bestehen in der Erstellung eines dokumentierten Systementwurfs und einer dokumentierten Implementierung eines Prototypens zur Simulation und Visualisierung plastoelastischer Objektinteraktionen. Die Grundfunktionalität soll am Beispiel der Interaktionen einfacher geometrischer Objekte demonstriert werden.

Literatur

[1]
Abramowski, S.; Müller, H.: Geometrisches Modellieren. Wissenschaftsverlag, 1991
[2]
Adams, B.; Wicke, M.: Meshless Approximation Methods and Applications in Physics Based Modeling and Animation. In: Eurographics 2009 - Tutorials, 2009, S. 213–239
[3]
Balzert, H.: Lehrbuch der Software-Technik: Teil 1: Software-Entwicklung. Spektrum Akademischer Verlag, 1996
[4]
Bicanic, N.: Discrete element methods. In: Encyclopedia of Computational Mechanics. John Wiley & Sons, Ltd., 2007
[5]
Fleissner, F.; Eberhard, P.: Examples of Modelling, Simulation and Visualization with the Discrete Element Method in Mechanical Engineering. In: Product Engineering. Springer, 2008, S. 419–426
[6]
Herranz, S.; Campa, F.; Lacalle, L. L.; Rivero, A.; Lamikiz, A.; Ukar, E.; Sanchez, J.; Bravo, U.: The milling of airframe components with low rigidity: a general approach to avoid static and dynamic problems. In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2005, S. 789–801
[7]
Limido, J.; Espinosa, C.; Salaün, M.; Lacome, J.: SPH method applied to high speed cutting modelling. In: International Journal of Mechanical Sciences, 49 (2007), S. 898–908
[8]
McReynolds, T.; Blythe, D.: Advanced Graphics Programming Using OpenGL. Morgan Kaufmann Elsevier, 2005
[9]
Monaghan, J.J.: Smoothed particle hydrodynamics. In: Reports on Progress in Physics, 68 (2005), Nr. 8, S. 1703–1759
[10]
Nealen, A.; Müller, M.; Keiser, R.; Boxerman, E.; Carlson, M.: Physically Based Deformable Models in Computer Graphics. In: Computer Graphics Forum, 25 (2005), Nr. 4, S. 809–836
[11]
Weinert, K.; Müller, H.; Kreis, W.; Surmann, T.; Ayasse, J.; Schüppstuhl, T.; Kneupner, K.: Diskrete Werkstückmodellierung. In: ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 7-8 (2002), S. 385–389

Rechtliche Hinweise

Die Ergebnisse der Projektgruppe und die dabei erstellte Software sollen der Technischen
Universität Dortmund uneingeschränkt für Lehr- und Forschungszwecke zur freien Verfügung
stehen. Darüber hinaus sind keine Einschränkungen der Verwertungsrechte an den Ergebnissen der
Projektgruppe und keine Vertraulichkeitsvereinbarungen vorgesehen.

Erstes Projektgruppentreffen

29. Juni 2011, 14.15 Uhr im Seminarraum 219, GB IV (Campus Süd)