ViPrIA – Virtuelle Produktentwicklung mittels intelligenter Assistenzsysteme

Seit dem 1. Oktober 2019 läuft das Forschungsprojekt ViPrIA – Virtuelle Produktentwicklung mittels intelligenter Assistenzsysteme. Das Projekt wird für die Dauer von drei Jahren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Partner des Forschungsvorhabens sind SCALE, SIDACT und Fraunhofer SCAI. Assoziierte Industriepartner sind AUDI, Porsche und Volkswagen.

Ziel von ViPrIA ist die Entwicklung intelligenter, d.h. auf Künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning-Ansätzen (ML) basierender, Assistenzsysteme zur Unterstützung von Ingenieuren bei der simulationsbasierten, virtuellen Produktentwicklung. Mit Hilfe intelligenter Assistenzfunktionen sollen Berechnungsingenieure im Entwicklungsprozess bei komplexen Entscheidungen unterstützt und von Routineaufgaben entlastet werden.

Motivation

Im Forschungs- und Entwicklungsprozess werden aufwändige und kostenintensive physikalische Versuche zunehmend durch computerbasierte Simulationen abgelöst. In der Automobilfertigung ersetzen virtuelle Crashtests reale Versuche mit aufwändig hergestellten Prototypen. Aktuelle Herausforderungen auf dem Gebiet der numerischen Simulation in der Produktentwicklung bestehen darin,

• intelligente Assistenzsysteme für den Entwicklungsingenieur bereitzustellen und
  
• den Umgang mit komplexen Simulationsdaten und ihrer Analyse einfach zu gestalten.

Schwerpunkte und Zielsetzung

In der modernen Produktentwicklung sind numerische Simulationen unverzichtbar. Der Ingenieur modelliert das Produkt mit Hilfe eines Finite-Element-Gitters mit sehr hohem Detaillierungsgrad. Im Fall von Crashtests im Automobilbereich spiegeln sich in den Eingangsdaten eines Simulationsmodells Informationen über verschiedene Design-Konfigurationen des Produkts wider, darunter Materialeigenschaften, Geometrie, Verbindungskomponenten oder Betriebsbereiche. Des Weiteren werden verschiedene Lastfälle untersucht, z.B. Frontal-, Heck oder Seitencrash.

Die Ergebnisse von ViPrIA sollen Berechnungsingenieure in der Fahrzeugentwicklung in zwei wesentlichen Stufen des Entwicklungsprozesses unterstützen:

• Einerseits wird ein intelligentes Assistenzsystem entwickelt, das den Nutzer bereits beim Aufsetzen einer neuen numerischen Simulation unterstützt, etwa durch Hinweise auf sinnvolle Modifikationen und Ergebnisprognosen.
  
• Andererseits wird eine sukzessive Automatisierung der Analyse von Simulationsergebnisse angestrebt, die eine direkte Rückmeldung zu jedem Simulationsergebnis generiert, sofern dieses ein nicht erwartetes Verhalten aufweist. Hierzu werden Analysemethoden – insbesondere zur Anomalie-Erkennung – nach der Simulation ausgeführt; darüber hinaus werden auch neue in-situ Konzepte zur Analyse während der Simulation betrachtet.
  

Damit werden in ViPrIA Software-Komponenten und Methodenbausteine entwickelt, die den Entwickler mit Hilfe eines intelligenten Assistenten im Forschungs- und Entwicklungsprozess dauerhaft unterstützen und ihm Routineaufgaben abnehmen. Perspektivisch sollen auch Design-Entscheidungen aus historischen Daten abgeleitet werden; die Entwicklungen im Projekt stellen erste wesentliche Schritte in diese Richtung dar.

Wissenschaftliche und technische Ziele des Vorhabens

Mit Hilfe der Analyse des existierenden Datenbestands von Simulationen und Versuchen soll beim Entwurf eines neuen numerischen Simulationslaufs eine automatische Plausibilitätsprüfung von Produktmodifikationen des Entwicklungsingenieurs ermöglicht werden. Dadurch werden aufwändige und kostenintensive Simulationsläufe oder Versuchsreihen ohne nutzbare Ergebnisse vermieden, und der gesamte Entwicklungsprozess wird effizienter und kostengünstiger. Zudem sollen neue Assistenzsysteme eine agilere Entwicklung und qualitativ bessere Ergebnisse ermöglichen.

Ein weiteres Projektziel ist die automatisierte Analyse von Simulationsdaten während und nach der Simulation. Zwar finden im Berechnungs-Workflow bereits heute nach jeder Simulation verschiedene Analyseschritte statt, diese konzentrieren sich aber typischerweise auf skalare Werte. Die Projektpartner entwickeln Methoden, die den detaillierten Vergleich von Simulationsergebnissen auf Bauteilebene ermöglichen. Diese Methoden werden dann in einem erweiterten und automatisierten Kontext eingesetzt. Dazu sollen sie in den Simulationsworkflow integriert, automatisiert und für die Anomalie-Erkennung genutzt werden. Damit kann nach Ausreißern im Verformungsverhalten gesucht und unerwartetes Verhalten automatisch angezeigt werden.

Die Ergebnisse des Projekts werden in den Entwicklungsablauf mit CAD und CAE integriert. So nimmt der Konstrukteur im Arbeitsprozess im CAD-Programm beispielsweise Modifikationen an der Geometrie und ggf. auch am eingesetzten Material vor. Bisher erhält er dazu – typischerweise mehrere Tage später – ein Feedback aus einzelnen CAE-Fachbereichen. Die neuen Entwicklungen in ViPrIA ermöglichen eine sofortige qualitative Prognose der Auswirkungen der CAD-Designänderungen. So kann sich aus der Datenanalyse vorheriger ähnlicher Konfigurationen des Modells beispielsweise ergeben, dass sich die Insassensicherheit verschlechtert. Auf diese Weise erhält der Konstrukteur mit Hilfe einer automatisierten Analyse ähnlicher bzw. vergleichbarer Daten die Möglichkeit, Plausibilitätstest durchzuführen. Dies hilft, die Anzahl der erforderlichen Design-Iterationen zu reduzieren, wodurch sich der gesamte Entwicklungsprozess vereinfacht und beschleunigt.

SCAI-Arbeiten in ViPrIA

Im Fokus der Arbeiten von SCAI steht die Suche nach und der Vergleich von Simulationskonfigurationen einschließlich Anomalie-Erkennung sowie die skalierbare und automatisierte Datenanalyse von Simulationsergebnissen. Hierfür sollen Verfahren des Maschinellen Lernens genutzt werden.