Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)

Kurzprofil

Das Fraunhofer ITWM zählt zu den größten mathematischen Forschungsinstituten weltweit und sieht seine Aufgabe darin, Mathematik als Schlüsseltechnologie weiterzuentwickeln, innovative Anstöße zu geben und gemeinsam mit Industriepartnern praktisch umzusetzen.

Methodisch basieren unsere Forschungsbereiche auf Modellierung, Simulation und Optimierung. Integrale Bausteine unserer Projekte sind Beratung und Umsetzung, Unterstützung bei der Anwendung von Hochleistungsrechnertechnologie und Bereitstellung maßgeschneiderter Software-Lösungen. Wir nutzen nicht nur Simulationssoftware, sondern entwickeln sie selbst, oft in Zusammenarbeit mit führenden Softwarefirmen.

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Kompetenzfelder/Leistungsangebote

High-End Moving-Base Fahrsimulator zur Entwicklung, und Erprobung virtueller Prototypen von PKW, LKW, Traktoren, Baggern, Radladern, etc. Der Testfahrer befindet sich in einer Originalkabine, ein Industrieroboter erzeugt ein realistisches Bewegungsfeedback. Durch den Einsatz eines kugelförmigen Projektionsdoms mit 10m Durchmesser und 18 3D-Projektoren ist der Fahrer von der virtuellen Welt umgeben. Die an RODOS verwendeten Simulationsmodelle zur Echtzeitberechnung des Fahrzeugverhaltens können entweder vom Unternehmen bereitgestellt oder vom ITWM implementiert werden. Es können Softwaretools wie Matlab/Simulink, LMS Virtual Lab, Simpack, VI-CarRealTime etc. verwendet werden. Zudem besteht die Möglichkeit compilierten C/C++ Code als „Black Box“ Modell zu integrieren. In jedem Fall wird dafür Sorge getragen, dass die am Simulator durchgeführten Tests und Optimierungen mit der Softwarelandschaft beim Projektpartner kompatibel ist.

Nutzen und Mehrwert

Neue Maschinen und Fahrzeuge können ohne einen physikalischen Prototyp mit bester Reproduzierbarkeit erprobt und mit sehr schnellen Iterationszyklen verbessert werden. Dies spart Entwicklungszeit und das Entwicklungsrisiko wird entscheidend gesenkt. ITWM-Experten (Mathematiker, Ingenieure, Kognitionswissenschaftler und Psychologen) planen und führen zusammen mit den Unternehmen Studien durch. Die Unternehmen profitieren von dem am ITWM verfügbaren Fachwissen in statistischer Datenanalysen, fortgeschrittener Modellierungstechniken und Versuchsdesign.

  • Assistenzsysteme
  • Simulation
  • Forschung
Multisensor-Messsystem zur millimetergenauen Digitalisierung von realen Straßen und Umgebungen. Die Erfassung erfolgt auf öffentlichen Straßen während des laufenden Verkehrs (keine Sperrungen notwendig). Mit den aufgenommen Daten ist die Generierung von hochgenauen Oberflächenmodellen verschiedener Auflösungen ebenso möglich, wie die Erstellung von high-definition Karten für das autonome Fahren.
Das System besitzt einen modularen Messaufbau mit folgenden Hauptkomponenten:
• Inertialsystem mit DGPS und Wegstreckensensor
• Laserscanner
• Hochauflösende Industriekameras

Nutzen und Mehrwert

• Digitalisierung realer Teststrecken für (Mehrkörper-)Simulationen
• Erfassung der realen Umgebung für virtuelle 3D Szenerien, speziell auch zur Nutzung im abteilungseigenen Fahrsimulator RODOS©
• Erstellung von HD Maps im Kontext ADAS/AD
• Generierung von VR Welten für HMD-Geräte

  • Assistenzsysteme
  • Simulation

CDTire unterstützt als Bestandteil moderner MKS-Programme den Entwicklungsingenieur in fast allen Analyseszenarien. Besonderes Augenmerk auf die Gürteldynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahnoberflächen erlaubt eine gute Vorhersagegenauigkeit – sowohl der transienten Amplituden als auch im Frequenzbereich, ohne dabei statische und stationäre Reifeneigenschaften zu vernachlässigen.
Während der Vollfahrzeug-, Achs- oder Prüfstandssimulation mit PKW-, LKW-, Nutzfahrzeug- oder Motorrad-Reifen werden dabei die Radnabenkräfte und -momente auf jedes Rad, sowie die Kontaktkräfte auf die Fahrbahn berechnet. Neben den 3D-Fahrbahnoberflächen können auch Prüfstandsanregungen mit bis zu 6 Richtungen pro Reifen modelliert werden.
CDTire ist eine Familie von Reifenmodellen mit unterschiedlicher Modellierung von Gürtel, Seitenwand und Lauffläche, um für verschiedene Anwendungen eine optimale Mischung aus Genauigkeit und rechnerischem Aufwand anzubieten. Der Reifeninnendruck kann pro Reifen angegeben und bei einigen MKS-Programmen auch während der Simulation verändert werden.

Nutzen und Mehrwert

• Komfortuntersuchungen auf digitalisierten Fahrbahnen oder diskreten Hindernissen (Schwellen)
• Lebensdauervorhersage auf digitalisierten Fahrbahnen
• NVH Gesamtfahrzeuganalysen im Zeit- und Frequenzbereich
• Parkmanöver mit Fokus auf Lenkmoment
• Prüfstandssimulation mit fahrbahngeführten Anregungen in allen 6 Richtungen pro Reifen
• Fahrdynamikuntersuchungen auf flacher und rauer Fahrbahn
• Aktive Sicherheit (ABS, ESP,…)
• Variation des Reifeninnendrucks
• Sonderereignisse mit Felgendurchschlag (auch mit flexibler Felge)
• Echtzeitanwendungen wie MIL, SIL, HIL

  • Entwicklung
  • Simulation

Jurojin ist das Software-Produkt für Ingenieure, die gelegentlich Betriebsfestigkeitsdaten statistisch auswerten müssen, und dabei Wert auf einfach zu erzeugende, korrekte Auswertungen legen, deren Interpretation man sich nicht erst noch mühsam erarbeiten muss.
Anders als in gängigen Statistik-Paketen benötigt man keine Fachkenntnis in Statistik während man sich durch riesige Menüstrukturen wühlen muss.

Nutzen und Mehrwert

Aufgaben, die sich mit Jurojin lösen lassen
• Effizientes Erstellen von Versuchsplänen – viele kurze oder wenige lange Tests?
• Ergänzung von Versuchsplänen bei unvorhergesehenen Ausfällen
• Gibt es eine ausfallfreie Zeit?
• Bestimmung der Ausfallwahrscheinlichkeit gegen variable Lasten im Betrieb
• Vergleich von Bauteilvarianten und Chargen
• Auswertung von Garantiedaten inkl. Prognose auf spätere Zeitpunkte
• Wöhlermodelle: Eine oder zwei Steigungen? Ist eine Dauerfestigkeit erkennbar?

  • statistische Auswertung

Messdaten, die zur Abschätzung von Lasten erhoben wurden, werden nach relevanten Einflussgrößen (Faktoren) in unterschiedliche Betriebszustände zerlegt und Kennwerte (Pseudo-Schädigung, Verbrauch …) für die einzelnen Segmente berechnet. Varianz und Regressionsanalysen liefern Auskunft über die Einflussstärke einzelner Faktoren, möglicher Wechselwirkungseffekte (z.B.: agressiver Fahrer trifft auf schwer beladenes Fahrzeug), sowie deren statistischer Signifikanz.
Liegt für die einzelnen Klassen von Messungen eine Häufigkeitsverteilung vor, die der erwarteten Nutzung des Fahrzeugs durch eine bestimmten Kundengruppe entspricht, so erhält man durch Monte-Carlo Simulation aus den Messdaten eine Verteilung der relevanten Größen für diese Gruppe (Betriebslast, Verbrauch, etc.).
Die Verteilungen einzelner Gruppen können zu einer Gesamtpopulation zusammengefasst und Quantile der Verteilung als Referenzlasten für die Auslegung exportiert werden.

Nutzen und Mehrwert

U·Sim (Usage-Simulation) dient der Modellierung der Nutzungsvariabilität einer großen Anzahl verschiedener Kunden und der Ermittlung von Referenzbeanspruchungen durch diese Kunden. Die Kunden werden gemäß Nutzungsprofilen mittels Monte-Carlo-Simulation generiert und sind durch reale Messdaten repräsentiert.

  • statistische Auswertung
  • Simulation
Seit einigen Jahren beschäftigt sich das Fraunhofer ITWM mit der statistischen Analyse von geo-referenzierten Daten zur Unterstützung und Verbesserung der Ableitung von Referenzlasten für die Betriebsfestigkeit und der Auslegung von Fahrzeugen hinsichtlich Energieeffizienz.
Der Ansatz ist hauptsächlich motiviert durch den Wunsch, die Nutzungsvariabilität und die damit verbundene große Variation von Lasten und Verbrauch zu verstehen, zu beschreiben und für die zielgerichtete Entwicklung aufzubereiten. Dies ist insbesondere im weltweiten Einsatz von Nutzfahrzeugen relevant.

Eine konkrete Anwendung der Technologie wurde u.a. in einem gemeinsamen Projekt mit Volkswagen Nutzfahrzeuge durchgeführt und auf der VDI Konferenz Nutzfahrzeuge 2015 in Eindhoven vorgestellt. Dabei wurden die Planung der Messkampagne und die Ableitung von Nutzungsparametern von VMC GeoStatistics unterstützt, die Daten mit VMC GeoLDA ausgewertet und die Hochrechnung auf Beanspruchungsverteilungen mit U·Sim durchgeführt.
Aufgrund der schnell wachsenden Verfügbarkeit relevanter Daten (z.B. Verkehrsdichte) und zur Unterstützung weiterer Anwendungen werden sowohl die Datenbank als auch die Methodensammlung kontinuierlich weiterentwickelt.

Nutzen und Mehrwert

VMC® GeoStatistics
Bereitstellung und Analyse geo-referenzierter Daten zur Regional- und Routenanalyse.
VMC® GeoLDA
Anreicherung konventionell gesammelter Messdaten durch Abbildung auf das Straßennetz, Segmentierung und Klassifikation.
VMC® Simulation
Anwendung einfacher Fahrzeugersatzmodelle zur Abschätzung der Längs-, Quer- und Vertikaldynamik eines Fahrzeugs in der virtuellen Umgebung.

  • Datenverarbeitung
  • Simulation
Das Softwarepaket IPS Cable Simulation integriert neu entwickelte Methoden und leistungsfähige Algorithmen, die eine physikalisch korrekte Simulation von Kabeln und Schläuchen in Echtzeit, und somit interaktives Arbeiten, ermöglichen.
Anwendung findet diese Technologie beispielsweise in Konstruktion, virtueller Montageplanung und digitaler Absicherung.

Nutzen und Mehrwert

• Simulation in Echtzeit
• Strukturmechanische Modellierung
• Hohe Genauigkeit
• Beliebige Materialien und Kabelquerschnitte
• Alle Arten von Kabelbefestigungen (Clips)
• Vielfältige Analysemöglichkeiten (Kräfte, Momente, Spannungen, Abstände, …)
• Kollisionserkennung
• Kontaktberechnung (Durchdringungsvermeidung)

  • Entwicklung
  • Simulation
Bei der numerischen Simulation von realen Systemen oder Bauteilen kommt es im Allgemeinen auf zwei Dinge an:
• Einerseits ist ein gutes mathematisches Modell des Systems zwingend erforderlich, um verwertbare Simulationsergebnisse zu erhalten.
• Andererseits muss das Modell mit den richtigen Parametern gefüttert werden, die auch den realen Gegebenheiten entsprechen. Oft ist das Bestimmen dieser Parameter schwierig, muss für jede neue Situation individuell durchgeführt werden.
Um die physikalischen Effekte bei der Verformung von Kabeln und Schläuchen korrekt vorhersagen zu können, ist es notwendig, die mechanischen Bauteileigenschaften als Modellparameter zu ermitteln.
Hierfür wurde eine hochautomatisierte Messmaschine (MeSOMICS) speziell zur Identifikation von effektiven Kabelsteifigkeiten entwickelt, welche neben klassischen Messgrößen wie Kräften und Momenten auch eine optische Auswertung der Biegelinie beinhaltet und damit die Messung überwacht.
Darüber hinaus zeichnet sich die neu entwickelte Biegeprüfung durch Messungen im Bereich praxisrelevanter Krümmungsradien aus, gepaart mit einer innovativen, ein nichtlineares Strukturmodell zugrunde legenden Auswertung der Biegesteifigkeit.

Nutzen und Mehrwert

Mit MeSOMICS lassen sich in kurzer Zeit eigenständig effektive Kabelsteifigkeiten ermitteln.
Die Messmaschine ist speziell auf eine unkomplizierte Handhabung und automatische Datenauswertung hin optimiert.
Ein robustes algorithmisches Vorgehen liefert vollständige Parametersätze für IPS Cable Simulation.

  • Messsysteme
  • Serviceleistungen
Dr. Klaus Dreßler
Dr. Klaus DreßlerAnsprechpartner
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik
Fraunhofer-Platz 1
67663 Kaiserslautern
TEL: 0631 – 31 600 4466
FAX: 0631 – 31 600 5466
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2019-04-16T15:01:49+00:00