Diesel Systems - Dynardo GmbH

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Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0 

Sensitivitätsstudie der Lebensdauer eines Common-Rail- 

Magnetventilinjektors neuer Generation auf Basis 

parametrischer CAD-Geometrie 

Thomas Söhner, Robert Bosch GmbH, DS-PC/EIP5, Stuttgart-Feuerbach 

Weimar, den 15. Oktober 2009 

Diesel Systems 

DS-PC/EIP5_Sh | 14.09.2009 | 989_1280d_Sh | © Robert Bosch GmbH 2009. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, 

Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

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Gliederung des Vortrags 

� Motivation und Zielsetzung 

� Vorgehensweise/ Workflow 

� Anwendungsbeispiel Haltekörper Common-Rail-Magnetventilinjektor 

� Zusammenfassung und Fazit 

� Weiteres Vorgehen/ Ausblick 




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Motivation und Zielsetzung 

An- bzw. Herausforderungen an neue Generationen von 

Common-Rail-Systeme 

� Anforderungen: 

� Reduzierung der Abgasemissionen 

� Höhere Motorleistung und Drehmoment 

� Schnellere Entwicklungszeiten 

� Herausforderungen: 

� Drucksteigerung 

� Höhere Beanspruchung aller Common- 

Rail-System-Komponenten, wie 

� Hochdruckpumpe 

� Rail 

� Injektor 

� Steigerung der Beanspruchbarkeit aller 

CRS-Komponenten 

� Neue Wege in der Entwicklung mit Einsatz 

neuer CAO-Methoden/ Methodik 


Common-Rail-System 2.2 



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Motivation und Zielsetzung 

Modulares Konzept für neue Magnetventiltechnologie 

1600 bar 

CRI2.2 

in Serie seit 2003 


CRI2.5 

Neue 

Ventilkonstruktion 

und 

verbesserte 

CRI2.2- 

Technologie 

1800 bar 

CRI2.6 

Ventil 

entspricht 

CRI2.5 

Neue 

Hochdruck- 

Hydraulik 

2000 bar 

Quelle: Neue Magnetventiltechnik für Common Rail Systeme, Aachener Kolloquium Fzg.- u. 

Motorentechnik 2009, Dr. Matthias Schnell, DS-PC/EIS1, Robert Bosch GmbH Stuttgart 



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Vorgehensweise/ Workflow 

Workflow Sensitivität/ Optimierung/ Robustheit (schematisch) 

optiSLang 

• steuert den kompletten Prozess 

• erstellt für jedes Design einen spezifischen Parametersatz (Designvariablen) 

Abaqus/CAE 

• stellt alle notwendigen Dateien und Pythonskripte über das Optiqus-plugin bereit 

• initiiert den Aufruf von Pro/E 

Pro/Engineer 

• modifiziert die Parts und übergibt die neue Geometrie an Abaqus/CAE 

• passt das FEM-Modell mit Last- und Randbedingungen, Vernetzung, etc. an 

• erstellt das Abaqus-Input-File 

Abaqus/Standard 

• berechnet des aktuelle Design auf einem Rechencluster 

FEMFAT (Tool zur Dauerfestigkeitsbewertung) 

• berechnet den minimalen Sicherheitsfaktor gegen Dauerbruch 

ETK (Extraction Toolkit) 

• extrahiert die Responsevariablen für optiSLang aus der binären Abaqus-odb-Datei 



Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. 

Windows-Ebene 

passwortfreie Windows zu 

passwortfreie Windows 

zu 

Linux-Verbindung 

Linux-Verbindung 

Linux-Ebene 

Skript kontrollierter Prozess

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Entwicklungsgeschichte Direktschnittstelle 

� 09/2004: Visit of Mr. Greg Brown from ABAQUS/HQ 

� Request : Import and usage of CAD-parameters in CAE 

� Answer : Plans with Pro/E and Elysium 

� 09/2006: Visit of Dr. David Fox and Greg Brown from ABAQUS/HQ 

� Request : CAD-parameter available in CAE 

� Answer : V6.6-EF offers a simplified update of CAD-data in CAE 

� 03/2007: Visit of Dr. Küssner and Mr. Hackhofer from ABAQUS/Europe 

� Request : Interface from Pro/E to CAE like from UG to ANSYS/WB 

� Answer : Bosch should define the functionality 

� 07/2007 : Development plans defined by Bosch (CR, DS, PT) and ABAQUS/HQ 

� 11/2007 : First application realized with ABAQUS v6.8dev at ABAQUS/HQ 

� 12/2007 : First installation of ABAQUS v6.8dev at DS 

� 02/2008 : Second installation of ABAQUS v6.8dev at DS and CR 

� 06/2008 : Successful application of ABAQUS v6.8dev for CRI2.2 at CR and DS 


Quelle: Roland Schirrmacher, Robert Bosch GmbH, Abteilung CR/ARH2, Gerlingen-Schillerhöhe 



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Die bidirektionale Pro/E-Abaqus/CAE-Schnittstelle 

� Funktionsweise des Datenaustausches: 

� Definition von Beziehungen/ Parametern (Relations/ Parameters) für KE- 

Konstruktionselemente (Features) in Pro/E 

� Export der Baugruppe (Assembly) im neutralen Elysiumformat *.eaf 

� Import der Baugruppe (Assembly) in Abaqus/CAE 

� Modifikation der Geometrieparameter interaktiv in CAE oder im Batch-Modus 

(Python-Skript) 




Optiqus-plugin

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Momentane Einschränkungen 

� Das Interface benötigt Pro/E Wildfire 2 und Abaqus/CAE Version 6.8-1 oder neuer 

� Pro/E-plugin ist nur für Windows-32bit verfügbar. Für Abaqus-Jobs im Batch-Modus auf einem 

Linux-Clustersystem sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich (passwortfreie Windows-Linux- 

Verbindung; z.B. „PuTTY“ und „Pageant“) 

� Nur Parameter von Pro/E-Konstruktionselementen können von Abaqus/CAE modifiziert werden 

� Es gibt keine globale Parameterliste, die in Pro/E verwendet werden kann 

� Kein automatisches Parsen der Parameter vorhanden (Aufwand!) 

� Das Highlighting in Abaqus/CAE funktioniert nur für Konstruktionselemente und nicht für 

einzelne Parameter (wie z.B. Winkel oder Bohrungsdurchmesser) 

� Probleme treten auf, wenn das erzeugte Parameterset eine Änderung in der Topologie hervorrufen. 

Um solche Fälle abzufangen, ist ein aufwändiges Python-Skript notwendig (Ergänzung 

der mit Last- und Randbedingungen versehenen Surfaces, Neuvernetzung des entsprechenden 

Bereichs, etc.) 

� Umständliches Handling mit Verschmelzungen aus Pro/E (jeweils ein *.eaf, *.par_abq, … File), 

sowie ein eigenes Part in Abaqus/CAE notwendig (jedoch keine Last- und Randbedingungen, 

Vernetzung, etc.) 




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Anwendungsbeispiel Haltekörper CR-Magnetventilinjektor 

Haltekörpermodell CRI2.6 

� Betrachtung Haltekörperausschnitt in der 

FEM 

� Definition Lastfälle: 

� Montagelastfall bzw. Unterspannung 

� Betriebslastfall bzw. Oberspannung 

� Auswertung im Bereich der Ventilraumverschneidung 

nach den Kriterien: 

� maximaler Vergleichsspannung nach 

von Mises 

� minimaler Sicherheitswert gegen Dauerbruch 




Bereich Ventilraumverschneidung

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Workflow im Detail 

Designvariablen 

(Ventilraum und Zulaufbohrung) 

verschmelzung_input.txt 

cri26_input.txt 

Ausführen eines 

Clean-Up-Skriptes 

Version 

3.0.1 

® 

Responsevariable 

min. Sicherheitsfaktor s D 

cri26-a3-femfat_ext.out 


® 

Pro/E 

frei? 

CAE-Lizenz 

vorhanden? 

cri26-a3-femfat.odb? 

FEMFAT-Ergebnisse 

cri26-a3-femfat.odb 

Modell-Update lokale Neuvernetzung 

CAE-Lizenz 

vorhanden? 

CAE 6.8-4 

® 

Wildfire 2.0 

mit Elysiumplugin 

bidirektionale 

Interaktion 

® 

1 FEMFAT-Lizenz? 

cri26-a3.odb? 

Version 4.7b 

® 

CAE 6.8-4 

® 

FEM-Input-File (Modell) 

cri26-a3.inp 

Rechencluster frei? 

Abaqus-Lizenzen? 



® 

Standard 6.8-4 

FEM-Ergebnisse 

cri26-a3.odb 

Skript kontrollierter Prozess

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Sensitivitätsstudie mit optiSLang 

� Methode 

� Latin-Hypercube-Verfahren 

� 15 Designvariablen � erfahrungsbasierende Auswahl 

� 3 Responsevariablen 

� 200 Designs 

� Wertebereich 

� Gleichverteilung 

� Toleranzangaben im CAD-Modell (Fertigungstoleranzen) 

� Rechendaten 

� Rechendauer zirka 46,2h (~1,9 Tage) in Summe 

� Nutzung eines Bosch-internen Linux-Rechenclusters 

� 3 Jobs parallel (mit Verwendung einer FEMFAT-Lizenz) 

� pro Abaqus-Job 20GByte Arbeitsspeicherbedarf 




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Ergebnisse der Sensitivitätsstudie 

� Überprüfung der Vertrauensintervalle: 

� 1 notw. Bedingung: 0,65 ≤ 0,7 ≤ 0,75 � � 

� 2 notw. Bedingung: 0,43 ≤ 0,5 ≤ 0,57 � � 

� Anzahl der gerechneten Designs ausreichend 

� Matrix der quadratischen Korrelationskoeffizienten 

� Darstellung der Eingangsgrößen (Designvariablen) 

und Ausgangsgrößen (Responsevariablen) 

� Korrelationen größer als 0,7 werden generell 

als stark beschrieben, wobei Korrelationen 

kleiner als 0,3 als schwach bezeichnet werden 




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Ergebnisse Lebensdauerberechnung (1/2) 

� Max. Mises Montage vs. Parameter 

� Die Parameter 

� abq_02 und 

� abq_05 

haben einen nennenswerten Einfluss auf die 

maximale Vergleichsspannung im Bereich 

der Ventilraumverschneidung 

� D.h. für beide sensitiven Parameter ist zu erkennen, 

dass bei größer werdendem Parameter 

die Spannung im Verschneidungsbereich 

ansteigt 

� Max. Mises Betrieb vs. Parameter 

� Der Parameter 

� abq_05 hat einen wichtigen Einfluss auf 

die maximale Vergleichsspannung im 

Bereich der Ventilraumverschneidung 

� abq_02 zeigt nur einen schwachen Einfluss 

� d.h. für beide Parameter lässt sich ableiten, 

dass bei größer werdendem Parameter die 

maximale Spannung im Verschneidungsbereich 

für den Betriebslastfall sinkt 

� hieraus zeigt sich ein umgekehrtes Verhalten 

gegenüber dem Montagelastfall 




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Ergebnisse Lebensdauerberechnung (2/2) 

� Das Wichtigkeitsmaß CoI zeigt, den Einfluss, bezogen 

auf den minimalen Sicherheitswert bei quadratischer 

Approximation für den Parameter: 

� abq_05 bei 57%, 

� abq_10 bei 8% und 

� abq_02 bei 7% liegt 

� Die weiteren Parameter spielen eine untergeordnete 

Rolle 

� Es gibt eine starke Korrelation der Designvariablen 

abq_05 mit dem minimalen Sicherheitswert nach 

FEMFAT im Bereich der Ventilraumverschneidung 

� Für den Parameter lässt sich deutlich ableiten, dass 

bei größer werdendem Parameter die Sicherheit und 

somit die Festigkeit im Bereich der Verschneidung 

ansteigt 




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Zusammenfassung der Sensitivitätsstudie 

� Ein Haltekörper wird über mehrere 100 Zeichnungsmaße einschließlich 

seiner Toleranzen geometrisch bestimmt. 

� Es sind aber nur wenige hiervon von Einfluss auf seine Hochdruckfestigkeitslimitierende 

Stelle. 

� D.h. auf die Verschneidungsgeometrie von Zulaufbohrung und Ventilraum. 

� Es konnte bezogen auf die Responsevariable minimale Sicherheit unter 

Annahme einer Gleichverteilung aller 15 Designparameter die sensitivste 

geometrische Größe identifiziert werden. 

� Dies ist der Parameter abq_05. 




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Probleme (1/2) 

� Regeneration des Pro/E-Modells nicht immer möglich 

� dies wird in den *input.txt-Files als Warnung vermerkt 

� Anforderungen an die Regenerationsfähigkeit des Pro/E- 

Modells (Konstrukteur) 

� Topologieänderungen führten zu fehlerhafter bzw. fehlender 

Vernetzung im FE-Modell und somit zum Rechenabbruch im 

Preprocessing 

� lokale Neuvernetzung mittels Python-Skript konnte dieses 

Problem beheben (mit Hilfe von Kugeldefinitionen) 

� Änderungen der Geometrie beim Modell-Update in CAE, 

können ebenfalls dazu führen dass z.B. Innendruckbedingungen 

auf Flächen verloren gehen (bevorzugt bei häufiger 

Partitionierung des Modells) 

� dies konnte ebenfalls mit dem bereits erwähnten Python- 

Skript behoben werden (Ergänzung der Surface mit 

Innendruck) 




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Probleme (2/2) 

� Lokale Spannungsüberhöhungen im Verrundungsradius der 

Ventilraumverschneidung 

� unsaubere Geometrie durch Geometrieübergabe von 

Pro/E an Abaqus/CAE über das Neutralfileformat der 

Firma Elysium 

� Genauigkeit Pro/E auf Maximum 

� manuelles Einlesen in Abaqus/CAE über *.stp-Format 

beseitigt das Problem 

� Die Designs mussten hinsichtlich Plausibilität überprüft 

werden (Aufwand!) 

� Problem: Unvollständigkeit des Auswertebereiches der 

Ventilraumverschneidung aufgrund fehlender Partitionen 

in Abaqus/CAE 

� die Auswertung erfolgte daher an einer Stelle, die nicht 

die minimale Sicherheit bzw. maximale Spannung zeigte 

� die Surface für die Innendruckbelastung wurde korrekt 

ergänzt 




?? 

??

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Zusammenfassung und Fazit 

� Erfolgreiche Anwendung der assoziativen Pro/E- 

Abaqus/CAE-Schnittstelle 

� jedoch sind weitere Verbesserungen erwünscht 

� kompletter Workflow inklusive Lizenzprüfungen vorhanden 

und einsatzbereit 

� Jobsteuerung über ein zentrales Skript möglich 

� tabellarische Zusammenstellung der Parameter der 

einzelnen Konstruktionselemente/ Features in Pro/E 

ist zu empfehlen, da schnell die Orientierung verloren 

gehen kann 

� vor allem bei sehr vielen geometrischen Größen 

sinnvoll 

� Erfahrungen des Anwenders in Pro/E, Abaqus/CAE, 

OptiSLang, ETK, FEMFAT, Skripting, Python und 

Ergebnisinterpretation sind erforderlich 




CRI2 und CRI3

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Weiteres Vorgehen/ Ausblick 

� Robustheitsanalyse mit den sensitiven Parametern 

� Die Ermittlung der Werksverteilungen (Verteilungsfunktionen) ist zwingend 

erforderlich, aber 

� schwierig aufgrund der Messtechnik zu bestimmen � Röntgen-Computertomographie 

notwendig 

� geringe Anzahl an Musterteilen für eine ausreichende Datenbasis (Kosten!) 

� daher Annahme einer abgeschnittenen Normalverteilung mit Mittelwert µ= 

Zeichnungsnominalmaß 

� Optimierung Ventilraumverschneidungsbereich 

� Betrachtung einzelner Optimierungskonstellationen 

� Zuverlässigkeitsanalyse („Design for six sigma“) 

� d.h. evtl. Verschiebung der Toleranzlagen, der Nennmaße und der Verteilungsfunktion 

� Pulsversuche zur Verifikation der Simulationsergebnisse 




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