Die Zukunft der Motorenentwicklung mit CAE vorantreiben

Führender Hersteller von Verbrennungsmotoren

Als größter inländischer Hersteller von Verbrennungsmotoren in China hat Guangxi Yuchai Machinery Co., Ltd. (Yuchai) nicht nur verschiedene größere Forschungs- und Entwicklungsprojekte (F&E) auf nationaler Ebene unternommen, sondern auch eine wichtige Rolle bei der Förderung der innovativen Entwicklung von Chinas Motorenindustrie gespielt. Mit steigendem Wettbewerb in der Automobilbranche entstehen durch die Kombination von Marktanforderungen viele Herausforderungen für die Produktentwicklung, wie z. B. eine höhere Qualität, Produktvielfalt, beschleunigte Aktualisierungen von Produkten und andere.

CAE-Software (Computer-Aided Engineering) spielt eine entscheidende Rolle, wenn es darum geht, auf Unternehmensebene ein Informationssystem zu verwenden, um die Produktentwicklungszyklen deutlich zu verkürzen, die Produktqualität zu verbessern und effizienter zusammenzuarbeiten. Yuchai hat sich unter vielen Softwareanbietern für Siemens Digital Industries Software als Partner für die Konzeption bis zur Entwicklung und von Anwendungen bis zum Service entschieden. Lu Xianglin, Deputy Manager der CAE-Verifizierungsabteilung des Engineering and Research Instituts von Yuchai ist für das Projekt und für den Hauptanwender der Software NX™ und Simcenter 3D verantwortlich. Lu Xianglin und Zhou Yangchun, Chef der Abteilung für Strukturberechnung des CAE Verification Departments, haben weitreichende Praxiserfahrung und detaillierte, einzigartige Einblicke in den Entwicklungsstand und die Produktplanung des Unternehmens sowie die Aktualisierung und Optimierung von CAE-Tools.

Strikte Einhaltung von Prozess- und Qualitätsanforderungen

Yuchai ist ein unabhängiger Hersteller von verschiedenen Motorenmodellen (leicht, mittelschwer und schwer), die in Automobilen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, Schiffen, Kraftstromerzeugern und anderen Einsatzbereichen genutzt werden. Für neue Produkte hat Yuchai eine Reihe strikter Entwicklungsverfahren eingerichtet, die alle Arbeitsschritte genau festlegen. Die CAE-Abteilung spielt im gesamten Produktentwicklungsprozess eine entscheidende Rolle. Beispielsweise verifiziert CAE jetzt primär die Machbarkeit von Produktprogrammen in der Konstruktionsphase und ist bei der Auswahl des optimalen Programms von zentraler Bedeutung.

Alle von Yuchai entwickelten Motoren wurden umfassenden CAE-Analysen in Übereinstimmung mit den Entwicklungsprozessen bei Yuchai unterzogen. Durch die Analyse entstehen viele konstruktive Verbesserungsvorschläge, wodurch die Produktqualität verbessert und Entwicklungszyklen verkürzt werden können. Die CAE-Abteilung ist auch bei einer schnellen Fehlerbehebung und anderen Prozessen von großer Bedeutung, wenn die Fehleranalyse in der Testphase durchgeführt wird. Beispielsweise kam es bei einem von Yuchai entwickelten Motormodells einmal zu einem Zusammenstoß zwischen dem Ventil und dem Kolben. Das Unternehmen bemühte sich, die Ursache zu finden, blieb aber zunächst erfolglos. Zur Überraschung des Unternehmens fanden Mitarbeiter der CAE-Abteilung drei Tage nach dem Eingriff die wahre Ursache: ein Montagefehler durch falsche Kennzeichnung durch den Lieferanten während des Bearbeitungsprozesses.

Diese Beispiele zeigen die Vorteile der CAE-Software in ihrer ganzen Breite. Simcenter hatte das Privileg, von Yuchai aus vielen anderen CAE-Lösungen aufgrund seiner Genauigkeit und Verlässlichkeit ausgewählt zu werden. Die Software Simcenter 3D (vormals NX CAE), die auf der NX-Plattform aufgebaut ist und daher eine nahtlose CAD-CAE-Erfahrung bietet, wenn die Software mit NX für CAD verwendet wird, wird von Yuchai seit mehr als 20 Jahren für Innovationen und in der Entwicklung eingesetzt.

Änderungen und Herausforderungen des Marktes

Mit steigendem Wettbewerb in der Automobilbranche sind hohe Qualität, Vielfalt und Flexibilität zu den Schlüsselmerkmalen der Produktion geworden. Lu und Zhou zufolge wirken sich die veränderten Anforderungen des Marktes nicht nur auf Geschäftsstrategien und Entscheidungen aus, sondern sie bringen auch eine Vielzahl von Problemen und Herausforderungen für die Produktentwicklung mit sich.

Zunächst einmal führt die Nachfrage nach personalisierten Produkten auf dem Markt zu einer steigenden Anzahl von Produktkategorien. Die Motorenentwicklung erfordert eine Vielzahl an CAE-Simulationen und -Analysen. Da Simulation während der gesamten Produktentwicklung eingesetzt wird, kommt es oft zu Konflikten zwischen der Notwendigkeit der CAE-Analyse und eingeschränkten Analyseressourcen, sodass es unmöglich ist, den Konstrukteuren die CAE-Analyseergebnisse direkt wieder zur Verfügung zu stellen.

Die steigende Komplexität des Systems erfordert eine abteilungsübergreifende Zusammenarbeit während des Produktentwicklungsprozesses. Dennoch gehören Konstrukteure und CAE-Analysten für gewöhnlich verschiedenen Organisationen an, die ihre Initiativen kommunizieren und koordinieren müssen. CAE-Analysten schlagen Verbesserungen vor und die Konstrukteure überprüfen daraufhin die Konstruktionen. Dieser Kreislauf wiederholt sich immer und immer wieder, wodurch es für CAE-Analysten unmöglich wird, die Fristen der Projekte genau einzuhalten und ihre Möglichkeiten voll auszuschöpfen.

Hinzu kommt, dass CAE-Anwendungen bei Yuchai zuvor kaum eingesetzt wurden. Einige CAE-Ingenieure verwendeten sie für die Simulation. Bei den meisten Teilen wurde keine strukturelle Optimierung durchgeführt und der Bedarf der Produktkonstrukteure an CAE stieg.

Es kam auch zu Problemen mit der Datenverarbeitung während des komplexen Vorbereitungsprozesses des Simulationsmodells. Die Konvertierung und Reparatur der CAD-Daten beim Import in die CAE-Software dauerte lange und die Modelle waren fehleranfällig.

Schließlich stellten die Aufgaben des CAE-Teams eine große Herausforderung dar. Sie begannen für gewöhnlich nicht direkt mit der Analyse; stattdessen arbeiteten sie sich durch eine Reihe von unerledigten CAE-Aufgaben. Die CAE-Analyseergebnisse konnten den Konstrukteuren erst mehrere Tage oder sogar Wochen später übermittelt werden. Durch die Engpässe in der Analyse wurde es unmöglich, mit der Entwicklung des Projekts mitzuhalten. Manchmal wurden die Konstruktionen direkt für Tests in der Fertigung freigegeben, vor der CAE-Analyse.

Zuverlässige Partner, überragende Lösungen

Anfang 2000 begann Yuchai mit dem Einsatz von NX-Produkten. Heute verwendet Yuchai NX als Standardsoftware für die Konstruktion und die integrierten CAD-Funktionen von Simcenter 3D und die Software Teamcenter® als seine Produktdatenmanagementlösung (PDM). Zu den primären Anwendungen zählen die Produktkonstruktion, Konstruktionszeichnungen, die Formwerkzeugerstellung und CAE-Analyse. Mit der erweiterten Anwendung von Simcenter 3D konnte Yuchai nicht nur viele Konflikte zwischen den Marktanforderungen und dem Entwicklungsaufwand abschwächen, sondern auch die Produktentwicklungszyklen deutlich reduzieren und den gesamten Entwicklungs- und Konstruktionsprozess optimieren.

Für die Auswahl von Simcenter als Simulationssoftware für Yuchai verglichen und analysierten Lu und Zhou die verschiedenen Alternativen basierend auf ihren eigenen Erfahrungen. Mehrere Faktoren waren schließlich ausschlaggebend für die Wahl von Simcenter 3D.

Konstrukteure verwenden NX als CAD-Tool, und da Simcenter 3D ebenfalls auf der NX-Plattform aufgebaut ist, erfordert die Verwendung von Simcenter 3D keine Anpassung ihrer Arbeitsgewohnheiten. Den Anwendern ist innerhalb der gewohnten NX-Benutzeroberfläche ein nahtloser Wechsel von der Verwendung einer CAD-Funktion zur CAE-Analyse möglich. Diese Kenntnis sorgt für eine breitflächige Nutzung.

Simcenter 3D und Teamcenter sind nahtlos integriert und ermöglichen es CAE-Anwendern, CAD-Modelle direkt in Teamcenter auszulesen; im Gegensatz dazu müssen andere CAE-Softwareprodukte CAD-Daten über ein Zwischenprodukt auslesen und sind anfällig für den Verlust von CAD-Modelldaten.

Die weitere Entwicklung und Anpassung von Simcenter 3D ist ziemlich einfach. Experten von Siemens Digital Industries Software bieten umfangreiche Unterstützung wie z. B. Einzeltrainings und technischen Online-Support. Die Software enthält verschiedene Anwendungsprogrammierschnittstellen (API) für eine individuelle Anpassung, die auf interne Objekte zugreifen kann. Mit diesen APIs können Anwender eine Vielzahl von Automatisierungsprogrammen entwickeln und Funktionen von NX und Simcenter 3D individuell anpassen. Zusätzlich ermöglicht eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für die Programmierung den Anwendern, auf einfache Weise zusätzliche Systemfunktionen zu entwickeln.

Die Möglichkeit zur automatischen Vernetzung in Simcenter 3D ist leistungsstark und erfordert keine Unterstützung durch Software von Dritten. Ein Modell mit 1.000.000 Freiheitsgraden kann in nur 10 Minuten vernetzt werden. Es funktioniert einfach und schnell, ohne die komplexe Vorverarbeitung, die bei anderen Werkzeugen zur Netzerzeugung erforderlich ist.

Kundenspezifische Programmierung, Optimierung und Anpassung

Mit kontinuierlicher Weiterentwicklung hat Yuchai auch seine Verwendung von CAE verändert, um die Geschäftsanforderungen zu erfüllen. Yuchai unterteilt die CAE-Arbeiten in zwei Bereiche: „innovativ“ und „ausgereift“. Der „ausgereifte“ Bereich behandelt einen großen Teil von einfachen und repetitiven Tätigkeiten. NX ermöglicht die Automatisierung dieser Art von Arbeiten, indem einfache und leicht anzuwendende Simulationsvorlagen genutzt werden, die von CAE-Experten mit Simcenter 3D erstellt wurden und von Konstrukteuren eingesetzt werden können, um einen angeleiteten CAE-Analyseprozess durchzuführen. Yuchai hat drei CAE-Vorlagen entwickelt, die auf den Programmierungsfunktionalitäten von NX und Simcenter 3D basieren und den Konstrukteuren zur Verfügung gestellt werden.

Die Verwendung von NX zusammen mit Simcenter 3D bei Yuchai hat eine weitere Veränderung in Gang gesetzt: Konstrukteure können ihre Teilekonstruktionen selber analysieren, ohne die Simulationsarbeiten an die CAE-Abteilung übertragen zu müssen oder auf die Konvertierung der Modelle zu warten. Dadurch konnte viel Zeit gespart und die CAE-Analyse effizient über das gesamte Projekt angewendet werden. Währenddessen können Konstrukteure CAE dazu einsetzen, verschiedene Konstruktionsalternativen zu analysieren und die beste Konstruktion für die Testläufe auszuwählen. Einer der größten Vorteile ist die automatische Aktualisierung des Analysemodells von Simcenter 3D nach der Modifizierung des NX-CAD-Modells durch die Konstrukteure, sodass Konstrukteure schnell verschiedene Konstruktionen vergleichen können.

Zusätzlich können Konstrukteure mit Analysevorlagen bei der Simulation und Analyse von Teilen ihre Erfahrungen mit der CAE-Analyse einfließen lassen. Die Vorlagen können ohne zusätzliche Schulung und ohne Auswirkungen auf die Arbeitsabläufe des Konstrukteurs verwendet werden. Die konstruktionsorientierte Analyse funktioniert effizient und ergänzt die CAE-Analyse der Experten.

Lu und Zhou betonen, dass Yuchai angesichts der kontinuierlichen Produktinnovation und -entwicklung allerdings noch den Prozess der einzelnen Berechnung standardisieren muss, um seine eigenen Simulationsprozesse und Datenbanken herauszubilden und die Konstruktionserfahrung des Unternehmens aufzubauen. Das Unternehmen möchte mit der Entwicklung kundenspezifischer Programme fortfahren, sodass sich professionelle Simulationsingenieure auf die Analyse der Ergebnisse konzentrieren und anwendungsfreundlichere Werkzeug für Konstrukteure entwickeln können. Yuchai wird mit Siemens Digital Industries Software zusammenarbeiten, um seine Möglichkeiten kontinuierlich zu erweitern. „Yuchai sorgt mit herausragenden Produkten für einen Ausbau der Märkte, gewinnt über hohe Qualität neue Kunden und bestimmt mit Innovationen die Zukunft“, so Lu. „Mit der nachdrücklichen Unterstützung durch Siemens Digital Industries Software schaffen wir eine bessere Zukunft.“