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Open Access
Adaptive Verfeinerungsverfahren in der gitterfreien Finite-Pointset-Methode (FPM)
(2019) Hagmann, Steffen; Resch, Michael M. (Prof. Dr.-Ing.)
Für die numerische Berechnung von Wasserdurchfahrten hat sich die recht neue Finite-Pointset-Methode als geeignet erwiesen und wird daher bei der Porsche AG für die Berechnung aller, sich aus dem virtuellen Wassermanagement ergebenden Fragestellungen eingesetzt. Die im Verlauf der Arbeit genauer beschriebene, gitterfreie Methode ist in der Lage komplexe Aufgabenstellungen mit dem nötigen physikalischen Detailgrad numerisch zu lösen. Allerdings erfordert die Lösung einen erheblichen Zeit- und Ressourcenbedarf. Um auch komplexe Aufgabenstellungen mit vertretbarem Aufwand simulieren zu können, sollen im Rahmen dieser Arbeit Möglichkeiten gesucht, aufgezeigt und angewandt werden, die eine Reduzierung des Zeit- und Ressourcenbedarfs ermöglichen, ohne dabei die Ergebnisqualität zu beeinträchtigen. Konkret soll ein adaptives Verfeinerungsverfahren auf Basis verschiedener Verfeinerungskriterien untersucht, entwickelt und implementiert werden. Das Verfahren soll in der Lage sein eine Simulation, automatisiert und dynamisch, in Gebiete mit hohem und niedrigem Detailgrad einzuteilen und so die Rechenzeit zu minimieren. Das konkret im Fokus stehende Ziel ist die Reduzierung der Rechenzeit für eine virtuelle Wasserdurchfahrt. Um das Ziel zu erreichen, werden zunächst lokale Verfeinerungskriterien eingeführt, die auf Basis von mehreren heuristischen Fehlerindikatoren die Einteilung eines Rechengebietes in Bereiche unterschiedlicher Ergebnisqualität ermöglichen, ohne dabei Kenntnis von den wirklichen Approximationsfehlern zu haben. Die richtige Lokalisierung von fehlerhaften Bereichen auf Basis der entwickelten lokalen Verfeinerungskriterien und somit der Erfolg der gewählten Vorgehensweise wird anhand des akademischen Beispiels der Rohrströmung gezeigt. Die Einteilung mit Hilfe der lokalen Verfeinerungskriterien bildete zusammen mit einem globalen Verfeinerungskriterium die Grundlage für das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte adaptive Verfeinerungsschema, das automatisch eine optimale Verteilung der Auflösung im Rechengebiet vornimmt. Auf Basis des entwickelten adaptiven Verfeinerungsschemas wird sowohl für die akademischen Beispiele der Rohrströmung und der Karmanschen Wirbelstraße als auch für den realen Anwendungsfall eine deutliche Reduzierung der Rechenzeit bei gleichbleibender Ergebnisqualität erreicht. Im relevanten Fall der Wasserdurchfahrt eines Gesamtfahrzeuges wird die Rechenzeit erfolgreich von einer knappen Woche auf etwas mehr als drei Tage, und somit um ca. 40% bis 50%, reduziert. Zudem hat sich der Funktionsumfang der Finite-Pointset-Methode durch diese Arbeit erweitert. Viele neue und nützliche Funktionalitäten, die beispielsweise eine adaptive Verfeinerung erst ermöglichen, stehen nun jedem FPM -Nutzer zur Verfügung. Durch den erfolgreichen Einsatz des entwickelten adaptiven Verfeinerungsschemas im Fall der Wasserdurchfahrt eines Gesamtfahrzeuges wird angestrebt, die adaptive Verfeinerung zukünftig auch auf weitere Fragestellungen des virtuellen Wassermanagements anzuwenden.
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Entwicklung von Simulationsmethoden und Visualisierungsverfahren in der virtuellen Realität zur Unterstützung der Produktentstehung in der Gießtechnik
(2009) Rost, Michael; Resch, Michael M. (Prof. Dr.-Ing.)
Die Arbeit ist aus dem Gebiet der Produktentstehung der Gießtechnik und der virtuellen Produktentstehung. Die Unterstützung der simultanen Arbeitsabläufe in der Produktentstehung der Gießtechnik kann durch die Entwicklung bzw. Weiterentwicklung von Methoden, Verfahren und Werkzeugen der virtuellen Produktentstehung verbessert werden. Daher ist die Zielsetzung dieser Arbeit die Entwicklung von Simulationsmethoden und Visualisierungsverfahren in der virtuellen Realität (VR) zur Unterstützung der Produktentstehung in der Gießtechnik. Um die Zielsetzung dieser Arbeit zu erreichen, wird zuerst der Stand der Technik in der Produktentstehung und in der virtuellen Produktentstehung ausführlich herausgearbeitet. Zur Vorbereitung der Analyse werden die Arbeitsverfahren, -methoden und –werkzeuge der Produktentstehung der Gießtechnik erarbeitet. Das Ergebnis ist die Darstellung der Verknüpfungen der Produktentstehungsprozesse, die durch die gegenseitigen Wechselwirkungen hervorgerufen werden. Die Produktentstehungsprozesse beschreiben die Tätigkeiten in der Produktentstehung der Gießtechnik. Für die Vorbereitung der Entwicklung von Simulationsmethoden und Visualisierungsverfahren werden die Produktentstehungsprozesse analysiert. Dazu werden die beiden Kriterien Aufgabenspektrum und Kommunikationsfähigkeit eingeführt. Hinsichtlich dieser beiden Kriterien erfolgt die Herleitung von Verbesserungspotentialen für einige Produktentstehungsprozesse auf Basis der gegenseitigen Verknüpfungen. Parallel dazu werden aus den Produktentstehungsprozessen und den Verknüpfungen technische Produktentstehungssysteme gebildet. Kernpunkt bei der Systembildung ist die Zuordnung der Anwendungssoftwaresysteme sowie der Ein- und Ausgangsgrößen. In den Produktentstehungssystemen geschieht die Ableitung der Prozesse. Die Prozesse bilden die Grundlage für die Analyse der Potentialerfüllung zu den beiden Kriterien Aufgabenspektrum und Kommunikationsfähigkeit. Die Analyse ergibt in einigen Prozessen Verbesserungspotentiale für die Visualisierung der Ergebnisgrößen sowie die Erkenntnis, dass Aufgaben zur Kinematiksimulation in dem bestehenden Tätigkeitsspektrum der Gießtechnik nicht erarbeitet werden können. Zur Prüfung der Realisierbarkeit der Verbesserungspotentiale werden die Analyseergebnisse der verknüpften Produktentstehungsprozesse mit denen der Prozesse der Produktentstehungssysteme verglichen, die sich auf dieselben Tätigkeiten stützen. Der Vergleich zeigt Übereinstimmung beim Kriterium Aufgabenspektrum und Unterschiede beim Kriterium Kommunikationsfähigkeit. Die Unterschiede beim Kriterium Kommunikationsfähigkeit betreffen Verbesserungspotentiale für zwei weitere Tätigkeiten, basierend auf der Analyse der Produktentstehungsprozesse und deren Verknüpfungen. Da durch diese beiden Tätigkeiten keine nennenswerte Umsetzung von digitalen Ergebnissen erfolgt, werden sie zur Verbesserung des Kriteriums Kommunikationsfähigkeit an diesem Punkt der Arbeit nicht berücksichtigt. Ein Analyseergebnis ist die Entscheidung zur Erhöhung des Erfüllungsgrads des Kriteriums Aufgabenspektrum durch die Entwicklung von Simulationsmethoden für die Tätigkeit Kinematiksimulation von Fertigungssystemen. Ein weiteres Ergebnis ist die Entscheidung zur Erhöhung des Erfüllungsgrads des Kriteriums Kommunikationsfähigkeit durch die Entwicklung von Visualisierungsverfahren in der virtuellen Realität für bestimmte Tätigkeiten der Produktentstehung der Gießtechnik. Ziel dieser Entwicklungen ist die Erweiterung der Simulations- und Visualisierungskompetenz in der Produktentstehung der Gießtechnik. Den Abschluss dieser Arbeitet bildet die Formulierung eines Anforderungsprofils an die Einbindung der virtuellen Realität in die Produktentstehung der Gießtechnik in Form von Funktionen auf Basis der zuvor erarbeiteten Ergebnisse. Aus diesen Funktionen geht hervor, dass die Notwendigkeit zur Verwendung und Visualisierung von Informationen für die Erhöhung der Analysefähigkeit in der virtuellen Realität besteht. Zur Festlegung der Informationsquellen kommen die Tätigkeiten in Betracht, von denen aufgrund der Analyse potentialbehaftete Verknüpfungen ausgehen. Für diese Tätigkeiten wird ein Informationsmanagement-System entwickelt. Im weiteren Verlauf werden die abgeleiteten bzw. entwickelten Funktionen größtenteils tätigkeitsneutral verallgemeinert und anschließend in übergeordneten Funktionskategorien zusammengefasst. Das Ergebnis ist die Beschreibung der Visualisierung von Daten und Informationen aus der Produktentstehung der Gießtechnik in der virtuellen Realität im Gesamtsystem Visualisierung. Die Beschreibung der Visualisierung begründet sich auf die Funktionskategorien, die in den Produktentstehungssystemen dieser Arbeit verankert sind. Die Funktionskategorien stellen die Verbindungen zu den zuvor erarbeiteten Ergebnissen dieser Arbeit her. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage für die Realisierung des Gesamtsystems Visualisierung. Die erfolgreiche Realisierung des Gesamtsystems Visualisierung befähigt zur Durchführung eines VR-basierten Projektmanagements in der Produktentstehung der Gießtechnik. Die Durchführung des VR-basierten Projektmanagements wird eine verbesserte Unterstützung der Produktentstehung der Gießtechnik durch die in dieser Arbeit entwickelten Methoden und Verfahren aus dem Gebiet der virtuellen Produktentstehung erzielen.
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Ein gebrauchstaugliches Augmented Reality-System für geometrische Analysen in der Produktentstehung
(2019) Bliese, Björn; Resch, Michael M. (Prof. Dr.-Ing.)
Augmented Reality beschreibt die Erweiterung der menschlichen Wahrnehmung der Realität durch virtuelle Zusatzinformationen. Die Technologie kann in der Produktentstehung für die gemeinsame geometrische Analyse physischer und virtueller Modelle eingesetzt werden. Sie verspricht damit großes Potenzial für eine engere Verzahnung physischer und virtueller Entwicklungsaktivitäten. Trotzdem werden Augmented Reality-Systeme heute kaum produktiv in der Produktentstehung eingesetzt. Eine genauere Betrachtung der bekannten Anwendungen bestätigt die Potenziale von Augmented Reality für geometrische Analysen in Bezug auf Qualität, Kosten und Zeit der Produktentstehung. Für die Durchführung von Augmented Reality-Analysen sind in der Literatur verschiedene Systemlösungen beschrieben, welche sich hauptsächlich durch die eingesetzten Komponenten zur Lagebestimmung unterscheiden. Die einzelnen Augmented Reality-Systemkomponenten scheinen für sich betrachtet zwar technisch weitestgehend ausgereift, die Systeme bieten allerdings selten einen für den Anwender durchgängigen Gesamtprozess. Die Bedienung ist in der Regel sehr komplex und erfordert viel spezifisches Fachwissen. Um Augmented Reality für geometrische Analysen in der Produktentstehung umfassend nutzbar zu machen, wird die Gebrauchstauglichkeit in den Mittelpunkt der folgenden Systementwicklung gestellt. Auf Basis einer ausführlichen Beschreibung des Nutzungskontextes werden die grundlegenden Anforderungen an ein gebrauchstaugliches Augmented Reality-System formuliert. Die möglichen Systemkomponenten werden bezüglich dieser Anforderungen bewertet und ausgewählt, die zugehörigen Prozesse werden aus Benutzersicht ausgestaltet und im Sinne einer möglichst hohen Gebrauchstauglichkeit strukturiert. Mit diesem Wissen wird eine Benutzerführung entwickelt, welche den Anwender durch den gesamten Untersuchungsprozess führt. Die Gebrauchstauglichkeit des so entwickelten Augmented Reality-Systems wird schließlich im Rahmen einer Probandenstudie evaluiert.