Transport van personen, goederen en informatie; 3e Bedrijvendag, Delft april 1988. Overzicht Case-studies

I

-lltfi

·

.

T Delft

Technische Universiteit Delft

Overzicht case-studies

Bedrijvendag

13-04-1988

=

]

Transport van personen,

goederen en informatie

Bibliotheek TU Delft

lilllllm~~mmlll~

2414

407

4

•

Eindredactie:

Transferpunt TU Delft; . ir. DA van Staveren

J.E.

Transport van personen,

goederen en informatie

Prof. ir. S. Hengst

Prof. dr. ir. H.B. Pacejka

Ir. C. Bil

Ir. B. Bach

Prof. dr. ir.

R.

Hamerslag

Prof. dr. ir. J.J.M. Evers

Uitgegeven door:

Delftse Universitaire Pers Stevinweg 1 2628 CN Delft Telefoon (015) 783254 In opdracht van: Transferpunt TU Delft Stevinweg 1 2628 CN Delft Telefoon (015) 783767

CIP-gegevens Koninklijke Bibliotheek, Den Haag

ISBN 90-6275-444-9

Copyright 0 1988, Delftse Universitaire Pers. All rights reserved.

No part of the material protected by this copyright notice may ba reproduced or utilized in any form or by any means, electron ic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage

VOORWOORD

De TU Delft probeert met de jaarlijks te organiseren Bedrijvendag aan het bedrijfsleven en overheidsinstellingen te presenteren, welke resultaten met onderzoek zijn bereikt.

Di t is de derde Bedri jvendag , die gewi jd is aan een bepaald thema:

'Transport van personen goederen informatie'

Deze keuze is vooral niet willekeurig, want

transportland bij uitstek en 'Transport' is

aandachtsgebied binnen onze universiteit.

Nederland is

een speciaal

Met de in Nederland unieke studierichtingen Luchtvaart- en

Ruimtevaarttechniek, Industrieel Ontwerpen en de opleiding tot

Scheepsbouwkundig ingenieur en de andere aan het transport

gerelateerde afstudeerrichtingen in de faculteiten, is onze TU bij uitstek de plaats waar onderzoek op het gebied van transport multidisciplinair kan worden aangepakt, daarbij ondersteund door de studierichting Informatica.

De TU presenteert vandaag een aantal voorbeelden uit het

onderzoek door met zes case-studies, die zeer verschillende aspecten van verkeer en vervoer vertegenwoordigen. Verschillende, aan transport gerelateerde onderzoekthema 's komen hier aan de orde. In het U voorliggende case-studyboek vindt U de teksten verzameld.

Wij wensen U een informatieve dag toe.

Prof. Ir. M. van Holst

Dekaan van de Faculteit der Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek

INHOUDSOPGAVE

Voorwoord . . . • . . . 1 Inhoudsopgave . . • . • • • . . . • . . . 3 Integrated Logistic Supports,

Prof. ir. S. Hengst . . . 5 Regelingen van voertuigen,

Prof.dr.ir. H.B. Pacejka . . . 17 Computertoepassingen in het ontwerpen van vliegtuigen,

ir. C. Bil . . . • . • . . . • • • . • . . . 25 Analyse (voet/fiets)verkeer op de grafische computer,

ir. B. Bach . . . • . . . • . . . 41 Informatiesystemen tbv personen en goedertransport,

Prof.dr.ir. R. Hamerslag . . . 65 Routering transport,

Prof .dr.ir. J.J .M. Evers . . . • . . . 81

Onderwerp: Integrated Logistic Support (I.L.S.) Auteur: Prof.lr. S. Hengst

Prof. ir. S. Hengst is verbonden aan de facul tei t der Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek; hij is hoogleraar van de vakgroep Scheeps- en Offshore Constructie en Productie.

INLEIDING

Aan de begrippen "logistiek", "logistieke ondersteuning" of "geintegreerde logistieke ondersteuning" worden verschillende betekenissen toegekend.

De klassieke betekenis van logistiek - de wetenschap van de deductie, geformaliseerde of mathematische logica (Van Dale)-wordt vrijwel niet meer gebruikt. Op een breder terrein is de

militaire betekenis bruikbaar: alle voorbereidingen en

handelingen die nodig zijn om de troepen op de meest

doeltreffende wijze van goederen en voorraden te voorzien en onder de gunstigste omstandigheden te doen strijden (Van Dale) De Society of Logistic Engineers hanteert de volgende definitie:

"The art and science of management, engineering and technical activities concerned with requirements, design and supplying as well as maintaining resources, to support objectives, plans and operations."

Het terrein van de logistiek wordt in het algemeen verdeeld in twee gebieden:

Business -of industrial logistics, waarmee bedoeld wordt de "physical distribution and materials management" en military logistics, met militaire toepassingen.

De business -of industrial logistics gelden voor de bouwer van het product. Deze onderzoekt de materiaal stromen in het bedrijf inclusief aankoop van materialen en componenten, de voorraden en de distributie van het gerede product. Met behulp van de operationele research kan inzicht verkregen worden in transport-en distributiesystemtransport-en. Door middel van wiskundige hulpmiddeltransport-en kan worden gestreefd naar een optimale waarde van bepaalde grootheden, bi jvoorbeeld het zo snel mogeli jk vervaardigen van producten tegen minimale kosten of het verkrijgen van een maximaal marktaandeel. Daarbij wordt onderscheid gemaakt naar probleemgebieden:

- netwerken, o.a. het kortste-route probleem - transport, o.a. trans-shipment

- distributie, o.a. beladingsproblemen of planningsproblemen - vestiging, o.a. locatie- en allocatie problemen

- indelingsproblemen.

Daarnaast kan onderscheid worden gemaakt naar de verschillende methoden om de gestelde problemen op te lossen met behulp van bepaalde technieken of algorithmen, zoals branch- and bound, de

matrixmethode of de vereffeningsmethode. Met logistieke

ondersteuning wordt bedoeld:

al die activiteiten, handelingen en (hulp)middelen, nodig om een product na oplevering te laten voldoen aan die de klant aan dat product heeft gesteld.

De logistieke ondersteuning bevat dan een aantal elementen die betrekking hebben op:

- onderhoud - reservedelen

- documentatie

- testapparatuur en bijzondere gereedschappen - faciliteiten

Onder geintegreerde logistieke ondersteuning (I.L.S.) wordt verstaan: een zodanige integratie, coordinatie en optimalisatie van de I.L.S.-elementen, dat een effectieve en economische ondersteuning voor de voorziene levensduur van het product wordt verzekerd.

De doelstelling is de levering van een kosteneffectief product aan de afnemer. Een product dat optimaal voldoet aan de eisen die de klant aan dat product stelt, tegen de minimale kosten over de levensduur van dat product. Daartoe dient de producent niet alleen de aanschafkosten (ontwerp-, ontwikkelings- en bouwkosten) te bezien, maar ook de exploitatiekosten die ontstaan na de oplevering van het product. De voorliggende case-study heeft betrekking op het in kaart brengen van de aspecten die zich voordoen bij de bouwen het operationeel houden van schepen; zij is toegespitst op de ontwikkeling van een mijnenbestrij-dingsvaartuig.

DE ASPECTEN VAN INTEGRATED LOGISTIC SUPPORT

Teneinde de invloed van de aanschafkosten en de exploitatiekosten in relatie te kunnen brengen met de prestaties van het product, dient de volledige levenscyclus in beschouwing te worden genomen. Dit betekent dat naast de bouw, de beproevingsfase en de exploi tatie, ook de onderzoeks-, concept-, ontwerp- en ontwikkelingsfase worden geevalueerd. De uiteindelijke aanschafkosten (en daarmee ook een belangrijk deel van de exploitatiekosten), worden voornamelijk in de beginfase van de levensduur van het product vastgelegd. Immers de keuze van de configuratie, de samenstellende componenten en het concept van logistieke ondersteuning worden tijdens het ontwerp voor wel 80% bepaald en vastgelegd.

Tevens worden in deze fase belangrijke I.L.S.-elementen vastgelegd:

- de documentatie, product, de

de beschrijvingen en tekeningen van het systemen en componenten nodig voor bediening, - de aard van voorraden en - de eisen inzake - de omvang van onder onderhoud en training,

de faciliteiten voor onderhoud, reparatie, training, ,

het beheer van reserve-onderdelen en voorraad, de opleiding en training van bedienings- en

houdspersoneel als gevolg van de keuze van componenten en installaties,

- de aard van de testapparatuur en het speciale gereedschap dat gebruikt kan worden voor montage, demontage, onderhoud en

reparaties na in bedrijfstelling.

Om allerlei redenen wordt tot op heden bij het inkoopbeleid van producten hoofdzakelijk gekeken naar de werkelijk uit te geven aanschafkosten. Deze kosten zijn de kosten zoals die gemaakt worden in de bouw- en beproevingsfase. Echter de invloed die de onderzoeks-, concept-, ontwerp- en ontwikkelingskosten en

acti vi tei ten hebben op de uiteindeli jk werkeli jk ui t te geven aanschaf- en exploitatiekosten, zijn tot nu toe nauwelijks onderzocht. De term "Integrated" hield in, dat in de eerste plaats de invloed van het ontwerpproces op de uiteindelijke logistieke ondersteuning werd onderzocht. Dit wil zeggen dat het bepalen van de logistieke ondersteuning een (ideratief) proces zou moeten zijn, dat in het ontwerpproces is ge-incorporeerd en geintegreerd.

Bovendien is de invloed van I.L.S. afhankelijk van het doel of de missie van het product. In het algemeen zal de gebruiker streven naar de grootst mogelijke beschikbaarheid van het product tegen de laagste kosten. Die beschikbaarheid wordt bepaald door zowel ontwerpfactoren als logistieke factoren. Zoals echter in het bovenstaande overzicht van de I.L.S.-elementen al is aangetoond, spelen bij de logistieke factoren ook de personele aspecten een rol (bijvoorbeeld training, opleiding, betrouwbaarheid en inzet van de mensen).

De invloed van I.L.S. op het ontwerp komt derhalve tot uiting in verschillende aspecten, zoals de keuze van de componenten.

De componenten zijn afhankelijk van factoren als betrouwbaarheid, mate van onderhoud, levensduur en eventuele standaardisatie. Wanneer men kiest voor een hoge mate van betrouwbaarheid zouden de kosten voor logistieke ondersteuning voor een bepaalde component lager kunnen worden, omdat onderhoud en de benodigde hoeveelheid reserveldelen afnemen. Di t kan worden bereikt door het product of de coïnponent aanzienlijk te vereenvoudigen.

De onderhoudsservice is gerelateerd aan snel en redelijk

eenvoudig onderhoud en gaat vaak gepaard met een hoge mate van betrouwbaarheid, omdat de onderhoudskosten gereduceerd kunnen worden.

De combinatie van betrouwbaarheid en onderhoudsservice zullen de beschikbaarheid van het product bepalen (zie ook literatuur: 1. "Reliability, maintainability, availability the real question: J.C. Richardson, P.I. Berman; Naval engineers Journal, september 1983) •

De beschikbaarheid wordt bepaald door een aantal factoren die de

ontwerper niet kan beinvloeden, de zogenoemde logistieke

factoren:

- beschikbaarheid van reservedelen

- competentie van het onderhoudspersoneel (training) - betrouwbaarheid van de documentatie

- beschikbaarheid van gereedschap en testapparatuur

De ontwerper zal echter wel rekening moeten houden met andere aspecten die de operationele beschikbaarheid bepalen.

De specifieke doelstelling of missie van het product en de periode waarover het product beschikbaar moet zi jn t i jdens de missieduur.

Bij de keuze van componenten heeft de standaardisatie invloed op de kosten van logistieke ondersteuning.

Enkele voorbeelden zijn:

De reductie van de verschillend componenten in het product, waardoor de onderlinge uitwisselbaarheid bevorderd kan worden - het reduceren van het aantal reservedelen als gevolg van de

uitwisselbaarheid

- het reduceren van de hoeveelheid noodzakelijke opslagruimte - het reduceren van de documentatie

- minder testapparatuur en minder speciaal gereedschap - minder training en opleiding

Met name de invloed van de opslagruimte en bijvoorbeeld de reductie van het aantal componenten is van belang voor de ontwerper.

Het tweede aspect waar I.L.S. het product beinvloedt is bij het bepalen van de configuratie.

Door bijvoorbeeld een "Failure Mode and Effect Analyses" (FMEA) uit te voeren, kan worden bepaald op welke manieren een component respectievelijk een systeem kan falen. Ook het effect van dat falen op het totale systeem respectievelijk andere systemen kan zo worden afgeleid.

Als op deze wijze kritieke onderdelen geidentificeerd worden, kan men zich richten op het vergroten van de betrouwbaarheid van die onderdelen door bijvoorbeeld een hogere of betere kwaliteit, meer

reserve onderdelen of het parallel schakelen van identieke

onderdelen.

De configuratie van het product wordt ook beinvloed door het bepalen van de benodigde transportwegen voor de montage en demontage van onderdelen en installaties. Tenslotte is de invloed merkbaar bij het bepalen op de benodigde ruimtes in het product voor opslag van reserveonderdelen, gereedschap, testapparatuur en documentatie.

Met het beschouwen van I. L. S . in het ontwerpproces kunnen de bovengenoemde aspecten worden geoptimaliseerd. Daarbij dient het uitgangspunt voor de producent steeds te zijn: lagere kosten en betere service. Het product mag niet duurder maar wel beter

worden. Daarnaast zijn in de ontwerpfasering van schepen en

soortgelijke systemen een aantal andere ontwikkelingen waar te nemen:

- de omvang van de systemen neemt toe, wat inhoudt dat aantal componenten per systeem groter wordt. Dit is vaak het gevolg van een toename van de automatisering.

- tegelijkertijd neemt de complexiteit van de systemen toe, wat

inhoudt dat de systeemfuncties complexer, de toegestane

toleranties kleiner en de eigenschappen vaak beter en

nauwkeuriger gespecificeerd worden.

Met betrekking tot de keuze van de mogelijkheden die de systemen bieden en de kosten van de toevoering over de life-cycle, zou door de introductie van systematische I.L.S.-aspecten in het

ontwerp een afweging gemaakt kunnen worden van de voor- en

nadelen die gepaard gaan met de toename van een kwantitatieve en kwalitatieve complexiteit.

De vraag is thans in hoeverre de totale life-cycle kosten (LCC),

die opgebouwd zi jn uit aanschafkosten (acquisi tion casts), en

exploitatiekosten (Operations- en maintanance costs), door middel van een strategisch concept van de bouwer geoptimaliseerd kunnen worden. Het uiteindelijke resultaat moet de aanschaf- en exploitatiekosten reduceren.

Uit de voorgaande beschouwing is echter duidelijk dat deze gezamelijke reductie alleen maar gerealiseerd kan worden wanneer afnemer en leverancier bereid zijn tot een evaluatie van de exploitatiekosten in relatie tot de aanschafkosten.

Voor een deel is het I.L.S.-pakket afhankelijk van de bouwer, vooral waar het de documentatie, testapparatuur en speciale gereedschappen betreft.

De bouwer beinvloedt het I.L.S.-proces door de keuze van complexiteit en omvang van de systemen en componenten.

Het onderzoek had als doel na te gaan of het mogelijk zou zijn een deel van de I. L. S . acti vi tei ten in de leveringsomvang te betrekken, waardoor de ontwerper daadwerkelijk de gelegenheid krijgt, in het belang van de afnemer, te streven naar lagere 1ife-cycle kosten.

3. Analyse van het I.L.S.-systeem

Teneinde een klantgericht I.L.S.-systeem of -pakket te kunnen aanbieden, is nagegaan wat de invloeden van de afnemer op de I.L.S.-elementen kan zijn en op welke wijze deze tot stand komen. Met name de invloeden en aanzien van de benodigde tijdsduur voor de samenstelling en de benodigde kosten voor de realisering van het I.L.S.-pakket zijn noodzakelijk om bij een offerte te kunnen kwalificeren, teneinde een goed gefundeerde

aanbieding van een I.L.S.-pakket te kunnen maken. Bij de analyse van het I.L.S.-systeem is daarom uitgegaan van de volgende drie hoofdaspecten:

- de omgevingsinvloeden

- de systeeminhoud, dat wil zeggen de elementen waaruit een I.L.S.-pakket bestaat

- de specifieke toepassing van een I.L.S.-pakket door een bepaalde afnemer.

De complexiteit van het systeem kwam onmiddelijk aan de orde via de volgende factoren:

- de operationele eisen

- de complexiteit ofwel de configuratie van het schip

- de kennis, ervaring en het opleidingsniveau van de afnemer - de discipline, mentaliteit en organisatiegraad van die afnemer - de onderhoudsfilisofie

- de mate waarin faciliteiten voor de afnemer ter beschikking staan, bijvoorbeeld voor reparatie op naam

- de beschikbaarheid van financiele middelen

Met name de operationele eisen scheppen problemen onder bepaalde omstandigheden. Ten aanzien van het werkgebied en de gereedheid voor verschillende condities zal nog enige mate van openheid bestaan, en wellicht ook ten aanzien van de toegestane downtime.

Maar een noodzakelijk gegeven zoals bijvoorbeeld een missieprofiel kan strategische gegevens bevatten en worden door de marine niet gemakkelijk ter beschik-king gesteld. De voordelen van een I.L.S. benadering blijken echter onmiddelijk.

De leverancier wordt verplicht zich te verdiepen in de eisen en wensen van zi jn afnemer, en zal ernaar moeten streven hierin

zoveel mogelijk systematiek te brengen.

Met name de complexiteit van een schip -de configuratie die betrekking heeft op het aantal verschillende systemen, de fysieke omvang van de systemen, de mate van automatisering en de grootte van de bemanning- heeft een directe relatie tot de geoefendheid

van de afnemer. Hetzelfde geldt in wezen t. a. v. een

onderhoudsfilisofie of de mate van aanwezigheid van groot belang kunnen zijn.

De bovengenoemde factoren zullen invloed hebben op het te

verkopen schip, maar ook op het I.L.S.-pakket. Daarmee wordt n.l. tevens bepaald in hoeverre sprake kan zijn van standaardisatie,

of bepaalde systemen of onderdelen kritiek zijn voor de

vervulling van de functie en de operationele gereedheid van het schip. Ook de mogelijkheid het aantal variabelen en onderdelen in het schip te reduceren en wat de invloed is van de kostprijs op het I.L.S.-pakket worden zo bepaald.

Tevens worden met het opnemen van een bepaald component, apparaat of toestel in de configuratie ook een aantal I. L. S. -elementen geintroduceerd: de reserveonderdelen, de gereedschappen, meet- ,

regel- en controleapparatuur, de documentatie en het

ondersteunend meterieel.

Met betrekking tot de inhoud van het I.L.S.-systeem zijn de eerder genoemde elementen verder uitgewerkt. Met betrekking tot

het onderhoud werd vastgesteld welke onderhoudsconcepten,

onderhoudsniveaus en reparatie-strategieen mogelijk zijn. Per onderhoudsniveau zal bepaald moeten worden wat onderhoudstaken,

onderhoudsfrequenties, onderhoudsduur en onderhoudspersoneel

exact inhouden. Dezelfde uitwerking is gemaakt voor de strategie t.a.v. de reservedelen aan de hand van FMEA-analyses, serie- of parallelschakeling, analyse van de levensduur, storingsgraad en vervangingsfrequentie. Voor het personeel en de training is onder

andere uitgewerkt welke trainingsplannen mogelijk waren op

theoretisch en praktisch gebied, waar de training plaats moest vinden, welke toeleveranciers daarbij betrokken konden worden en welke aspecten de opdrachtgever zelf ter hand kon nemen. De

doelgroep voor de diverse trainingen omvatte bemanning,

onderhoudspersoneel op de basis, instructeurs en het manage-ment.

4. De relatie inhoud-schip versus de I.L.S.-elementen

Het schip wordt geanalyseerd door opdeling naar functie.

Vervolgens wordt de noodzaak van elk van deze functies t.o.v. de

basisfunctie bepaald. De functies kunnen vertaald worden in

installaties en apparaten met I.L.S.-elementen. Aan de hand van

de noodzakelijkheid van basisfunctie kan nu goede die functies gepaard gaande komen.

de diverse functies t . 0 • v . de logistieke ondersteuning van de met installaties en apparaten tot uiting

4.1. Opdeling schip in functies

Om de inhoud van het schip te analyseren, wordt gebruik gemaakt van Functionele Analyse van een Systeem Techniek, F.A.S.T.~ een methode ter verduidelijking en visualisering van een probleem. Het schip wordt opgedeeld in functies, en relaties tussen deze functies worden aangegeven. In F.A.S.T. wordt onderscheid gemaakt tussen de volgende functies:

- basisfunctie~ waarvoor is het product, het proces of de dienst

uiteindelijk ontworpen en gefabriceerd

- kritieke pad functie~ de functie die onontbeerlijk is voor het vervullen van de basisfunctie

- ondersteuningsfunctie; de functie die de kritieke pad functie mogelijk maakt te betsaan. De ondersteuningsfunctie is op te

splitsen in hoofdondersteuningsfunctie en

nevenondersteuningsfunctie

- afhankelijke functie; bijwerkingen -gewenst of ongewenst- ten gevolge van een andere functie

- onafhankelijke functie~ een functie die altijd optreedt

Het F.A.S.T.-schema wordt in eerste instantie niet tot in detail uitgewerkt. Belangrijk is de grove onderverdeling van het schip in systemen. In een later stadium kan voor elk van deze en sub-systemen op zich een F.A.S.T.-schema opgezet worden. Bij

'mijnenbestrijding' als basisfunctie geldt de 'hoofdvoortstuwing' als ondersteunende functie van de kritieke pad functie 'varen'.'Hoofdvoortstuwing' zelf kan echter ook als basisfunctie worden beschouwd (systeem

=

'koelen' als ondersteunende functie van de kritieke pad functie 'energie' omzetten. Het 'koelen' kan ook als basisfunctie worden beschouwd (systeem

=

4.2. Het bepalen van de "criticality" van de functies

Om inzichten te verkrijgen in de "criticality" van de verschillende functies ten opzichte van de basisfunctie is men als volgt te werk gegaan. Eerst werd een boomstructuur opgezet, gebaseerd op het F.A.S.T.-schema. Vervolgens werden cijfers aan de functies toegekend. Zo ontstaan weegfactoren: de zogenaamde noodzakeli jks-coefficienten. Tenslotte worden noodzakeli jks-coefficienten eventueel uitvermenigvuldigd, om de betreffende functies te realiseren aan de basisfunctie.

Er werd onderscheid gemaakt naar functieniveaus, waarbij gesteld werd, met

functieniveau functieniveau functieniveau

0: basisfunctie

I: kritieke pad functie

11: ondersteuningsfuncties, afhankelijke functies van de kritieke pad functies

functieniveau 111: ondersteuningsfunctie, afhankelijke functies van de ondersteunendefunctie, afhankelijke functies van de kritieke pad functies

T. a. v. de functieniveaus geldt dat de functies van een lager niveau

-niveau N- vervuld worden door de functies van een hoger niveau (niveau N +1). Dit is een doel-middel-analyse met functieniveau N als doel en functieniveau N + 1 als middel. Om de noodzakelijkheid van een bepaalde functie t.O.v. de basisfunctie te kunnen beoordelen, moet bekend zijn van welk niveau de betreffende functie is en of deze functie een ondersteunende dan wel afhankelijke functie bekleedt.

In de beschouwing van de functies dienen ook overwegingen als serie- en parallelschakeling van functies meegenomen te worden, of wel opvolgend en gelijktijdig optredende functies, vergelijkbaar met Reliability Engineering. Om te kunnen opereren is alleen kennis van de noodzakelijkheid van de functies ten opzichte van de basisfunctie niet voldoende. De mate waarin de functies vervuld worden bepaalt de operationele gereedheid van de betreffende eenheid. De operationele gereedheid wordt bepaald door de personele en materiele gereedheid. De producent kan in het afnemen geen invloed uitoefenen op de operationele gereedheid van zijn product. Wel kan de producent zijn product opleveren met een initiele operationele gereedheid, die zo mogelijk door de klant gespecificeerd is. Die initiele operationele gereedheid wordt bepaald door het opgeleverde product en het daaraan gerelateerde I.L.S.-pakket. De invloed van de I.L.S.-elementen op de personele gereedheid wordt beinvloed door training, opleiding en documentatie. De materiele gereedheid wordt beinvloed door onderhoud, reservedelen, testapparatuur en speciaal gereedschap. De mate waarin I.L.S. geintegreerd wordt in het ontwerpproces bepaalt dus mede de initiele gereedheid. Specificeert de klant de ini tie Ie operationele gereedheid niet, dan dient de producent deze zelf te specificeren, waarbij primair de verkoopbaarheid van het product en de mogelijke klantenkring in het oog gehouden dienen te worden.

De initiele operationele gereedheid kan worden bepaald per specifieke missie en de daarbij behorende missieduur. Na oplevering van het product is de marine verantwoordelijk voor de aktuele operstionele gereedheid, waarbij ook logistieke factoren een rol spelen. De producent kan acties ondernemen om de klant te assisteren bij technische nazorg en follow-on support.

4.3. De aan de functies gerelateerde I.L.S.-elementen

Aan de hand van het F.A.S.T. kunnen de functies vertaald worden in fysieke elementen als installaties en apparaten. Met deze installaties en apparaten zijn de volgende I.L.S.-elementen verbonden:

- documentatie; technische gegevens incl. tekeningen alsmede bedienings- en onderhoudsbeschrijvingen

- reservedelen

- speciaal gereedschap en testapparatuur

- training in aanzien van bediening en onderhoud bij complexe installaties/apparaten

- meet-, regel- en controle-apparatuur

- ondersteunend materiaal; schoonmaak- en smeermiddelen, brandstof, olie

De toegepaste I . L. S. -elementen dienen aan de betreffende installaties en apparaten gerelateerd te worden door middel van codering.

4.4. De systematische inhoud van het schip versus I.L.S.

Aan de hand van de vorige paragrafen kan de systematiek met betrekking tot I.L.S. als volgt vastgesteld worden:

1. functie analyse:

Welke functies dienen vervuld te worden opdat de basisfunctie kan geschieden. Dit met behulp van de F.A.S.T.-techniek, dus onderscheid maken in eerder genoemde functies.

2. functiewaardering:

Bepaal de noodzakelijkheid van de bij vastgestelde functies ten opzichte van de middel van het toekennen van weegfactoren.

3. functievertaling:

de functie-analyse basisfunctie, door

De functies dienen vertaald te worden in fysieke elementen als installaties, apparaten en werktuigen.

4. koppeling fysieke elementen - I.L.S.-elementen:

Aan elk fysiek element zi jn automatisch I . L. S. -elementen gekoppeld. De mate van uitbreiding, hoeveelheid en hoedanigheid van deze I.L.S.-elementen is afhankelijk van de complexiteit van de fysieke elementen ten opzichte van de basisfunctie.

De activiteiten 1 t/m 3 vallen in wat normaal onder het ontwerpen van het product wordt verstaan, en duiden dus het belang aan van integratie van I.L.S. in het ontwerpproces. De functie-analyse en de functiewaardering treden op in de concept fase van het product. Na de eerste functievertaling (waarbij dus rekening gehouden dient te worden met I.L.S.-overwegingen) komt men tot het voorontwerp. Nu is ook de eerste indicatie over de invulling van het bij het product behorende I.L.S.-pakket bekend.

In een iteratief proces wordt het voorontwerp steeds verder verfijnd totdat het uiteindelijke definitieve ontwerp gerealiseerd is. Simultaan aan en geintegreerd ~n dit verfijningsproces van het productontwerp loopt de realisering van het definitieve I.L.S.-pakket . Een I.L.S.-pakket is dus ook te beschouwen als een product dat ontworpen en gerealiseerd dient te worden. Wanneer het definitieve ontwerp van het product gereed is, wordt ook de invulling van het bij het product behorende standaard I.L.S.-pakket bekend. Dit pakket is toegespitst op het product en wordt onafhankelijk van de klant geproduceerd. De activiteiten 1 tlm 4 geven de relatie product versus I.L.S. aan. De methode wordt thans in een eenvoudige versie uitgevoerd. De oorzaak van de vergaande vereenvoudigingen ligt, bij een gedetailleerde opzet, in de hoge initiele kosten van voorbereiding. De afwezigheid van een geautomatiseerd materialen-management-systeem speelt daarbij eveneens een rol.

Onderwerp : Regelen van Voertuigbewegingen Auteur: Prof. Ir. H.B. Pacejka

Prof .dr.ir. H.B. Pacejka is hoogleraar voertuigtechniek aan de faculteit der Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek

Mechatronica is een snelopkomend vakgebied waarmee nieuwe grensverleggende ontwikkelingen in het ontwerpen van werktuigen mogelijk zijn geworden. Ook in de voertuigtechniek is onderkend dat de voortschrijdende toepassing van elektronica in mechanische systemen een scala van potentiele mogelijkheden biedt, dat speciale aandacht vraagt in het onderzoek en onderwijs in dit vakgebied. Functies van werktuigen die tot nog toe op zuiver passieve en vaak mechanische wijze werden verwezenlijkt (dus met veren, demper, stangen, nokken, etc.), kunnen in een wellicht groeiend aantal gevallen beter en soms op eenvoudiger wijze worden gerealiseerd, indien de mechatronica wordt ingeschakeld

(dus met sensoren, regelsystemen, microprocessoren en

actuatoren) .

Een voertuig is zo gebouwd dat een aantal functies uit te voeren zijn. Allereerst zullen inzittenden en lading gedragen moeten worden. Bij rijden over oneffen wegdekken zal er voor voldoende trillingsisolatie voor o.a. het comfort van de inzittenden gezorgd moeten worden. Tegelijkertijd dienen de banden in contact met het wegdek te blijven om voldoende koersstabiliteit te waarborgen.

In de bewegingsrichting wil de bestuurder de rijsnelheid op een eenvoudige wijze in kunnen stellen, daarbij zo weinig mogelijk gehinderd door veranderingen in rijweerstanden (hellingen), plaatselijke vermindering in stroefheid van het wegdek door b.v. ijsvorming, optimale keuze van de versnelling in verband met motorkarakteristiek en brandstofgebruik en mogelijk ook de veilige afstand tot de voorligger.

In zijwaartse richting is er sprake van zaken als stabiliteit,

bestuurbaarheid en weerstand tegen storingen, zoals

zijwindstoten. Voorts ontstaan er koersafwijkingen door

wegdekoneffenheden en bij remmen en aandrijven tengevolge van een mogelijk verschil in remkoppels en/of wegstroefheid links en rechts.

In principe kunnen voor al deze genoemde facetten met behulp van moderne technieken wezenlijk betere oplossingen gevonden worden.

In een aantal voertuigsystemen komt men reeds toepassingen van deze technieken tegen, zoals anti-blokkeersystemen (ABS) en motorregeling . Deze ontstonden overigens lang voordat de naam

mechatronica werd uitgevonden. In de industrie en in

onderzoeksinstituten is men druk bezig andere toepassingen te ontdekken, te ontwikkelen en in productie te nemen. Belangrijke belemmerende factoren zijn momenteel nog: kosten, betrouwbaarheid en in sommige gevallen extra geluidsproductie door de actuatoren. Uit wetenschappelijk en technisch oogpunt staat er een veld van uitdagende mogelijkheden open. Aan de TU Delft wordt in samenwerking met DAF, Vol vo, BMW en TNO, mede ondersteund door STW, gewerkt aan een aantal projecten waarin het automatisch regelen van de beweging van het voertuig een belangrijke rol speelt. Hier zal kort op in worden gegaan. De onderwerpen betreffen het regelen van tal van functies, waarbij steeds blijkt dat het noodzakelijk is om een wiskundig model van het betreffende systeem te maken. Dit wiskundige model dient enerzijds om een optimaal regelalgorithme te ontwerpen en anderzijds om als regeling zelf toegepast te worden.

Ter verdere verfijning en voor een grotere gebruikersvrien-delijkheid worden momenteel geavanceerde, deels geautomatiseerde

modelleringsprogramma's gebruikt. Ten behoeve van deze

modellering is het voorts noodzakelijk om componenten zoals banden, remmen en wielophangingssystemen te onderzoeken en hun gedrag te beschrijven. Daartoe zijn in het Laboratorium voor

Voertuigtechniek unieke proefstanden en bandentestwagens

aanwezig. Ook in deze proefinstallaties ziet men de mechatronica in ruime mate toegepast.

Als we weer onderscheid maken tussen langs-, verticaal- en

dwarsgedrag, noemen we allereerst de ontwikkeling van een

intelligente aandrijflijn ter ontlasting van de bestuurder van bedrijfswagens. De fase van de ontwikkeling van een voldoende nauwkeurig wiskundig model waarmee de regeling ontworpen dient te worden, bevindt zich in een vergevorderd stadium. Een tweede onderwerp, de verdere studie naar het gedrag van het anti-blokkeersysteem onder invloed van wegdekoneffenheden, vereist een nauwkeurige beschrijving van het dynamische gedrag van het mechanische systeem, inclusief de autoband. De eerste

onderzoek-resultaten bevestigen de verwachting dat wielastrillingen

fluctuaties in de wielrotatiesnelheid teweegbrengen, zodat het

ABS regelalgorithme van slag kan raken en dus verbetering

behoeft. In vertikale richting wordt gewerkt aan (semi-) aktieve wielophangingssystemen. Een der projecten behelst de verbetering

van het trillingscomfort. Semi-actieve systemen waarbij de

schokbreker op beheerste wijze met hoge frequentie in en uit

geschakeld kan worden, worden ontwikkeld en getest. Door

toepassing van dit soort laag vermogen vergende systemen kan de

overbrengingsverhouding tussen wegdekprofiel en

wagenbakversnelling substantieel worden verbeterd. (zie figuur 1.)

Id"

,

.

,

PUlh, ",. 'Ol

Os..!-Adl" SI_IIoI;' UI'" IlItftIal D_iIItt.llll'lI~r

PaUi",!,O.l

"

"

.

Fig. 1. Actieve en passieve veersystemen en hun invloed op de overbrengingsverhouding.

Randvoorwaarden betreffende de beperkte slagruimte voor de veerbeweging en de eis dat voldoende vertikale bandbelasting , t.b.v. de koersvastheid, gehandhaafd blijft, beperkt de volledige benutting van deze mogelijkheid tot comfortverbetering. Adaptief regelen, wat rekening houdt met afhankelijk van wegdekoneffenheid gevraagde slagruimte en uitvoering van stuurbewegingen (spoor-krachten vereist) belooft echter verbeteringen te kunnen leveren. De situatie wordt nog aanzienlijk gunstiger als een langzaam actief veersysteem wordt toegepast waarbij de wagenbakhoogte voor en achter gemiddeld op een constante hoogte wordt gehouden. Dit gebeurt bij verandering van het aantal inzittenden en lading, maar ook bi j het remmen en accelereren en het ri jden in een bocht. Door deze maatregel blijft steeds de volle veerbeweging beschikbaar. In een ander project is de beheersing van de rolbeweging zelf tot doel gesteld. In de eerste plaats vanwege de betere (vrijwel vlakke) ligging van de auto in de bocht. Ten tweede ten behoeve van de verbetering van het trillingscomfort door de volledige beschikbaarheid van de veerweg in de bocht en de daardoor mogelijke verlaging van de veerstijfheid. Daarnaast kan, door op bijzondere wijze langs mechanisch/hydraulische weg voor en achter genereren van tegenwerkende rolmomenten gerealiseerde rolbeheersing , de koersstabili tei t op effectieve manier worden beinvloed. Dit gebeurt door deze rolmomenten op ui tgekiende wi j ze te distribueren over de voor - en achteras. Door deze laatste maatregel kan de zgn. gewichtsoverdracht die in een bocht optreedt gunstig verdeeld worden al naar gelang de omstandigheden (dus adaptief) waardoor de spoorstijfheid van de banden beinvloed worden. In een regel circuit wat op het moment wordt ontwikkeld, wordt het principe van het voorwaarts koppelen in plaats van het terugkoppelen gehanteerd, hetgeen voordelen heeft in verband met stabiliteit en het vermijden van de bij terugkoppeling nog optredende rolstijfheid. Er wordt licht teruggekoppeld om de invloed van niet beheersbare parameters te compenseren. In de richting dwars op het voertuig wordt aandacht geschonken aan bestuurbaarheid, het opvangen van storingen en stabiliteit. Een belangwekkend project behelst de automatische besturing van de as van een oplegger met het doel het ruimtebeslag in bochten te beperken. Een vaak toegepast principe omvat het sturen van de opleggeras met een verhoudingsgewijze hoek aan de hoek tussen trekker en oplegger. Deze veelal mechanisch uitgevoerde oplossingen zijn niet flexibel aan te passen aan bijvoorbeeld de lengte van de oplegger.

Bij wegrijden kunnen dergelijke opleggers aanleiding geven tot het rijden over de stoeprand en zijn dus niet optimaal uitgerust voor het achteruit rijden. Bovendien blijken een aantal van deze systemen bij hogere rijsnelheden minder te ondervinden van slingeren. Het toepassen van het computer-gestuurd regelen van de opleggeras kan bovenstaande situaties vermijden. Door frequente meting van de afgelegde weg, het aantal wielomwentelingen, de stuurwielhoek en de knikhoek tussen trekker en oplegger, kan het pad van het midden van de voorkant van de trekker in coordinaten berekend worden ten opzichte van de trekker.

Vervolgens kan de eis gesteld worden dat het midden van de achterkant van de oplegger het zelfde pad beschrijft. Daarmee is de vereiste knikhoek te berekenen en kan worden nagegaan naar welke kant en in welke mate met de opleggeras gestuurd moet worden, opdat het verschil met de gemeten knikhoek zo klein mogelijk wordt. Figuur 2. toont het bewegingsverloop in de gestuurde- en ongestuurde situatie.

\ \ \

, ,

_,

,

8

~i

-

a===lD

11

---Fig. 2. De door de trekker/opleggercombinatie in beslag genomen wegbreedte, zonder en met besturing van de opleggeras.

Een mechanisch model met ingebouwde micro-computer toont aan dat

aan de gestelde doeleinden kan worden voldaan. Het actief

besturen van de vier wielen van de auto staat nog aan het begin van de ontwikkeling. Enige studies geven aan dat een betere beheersing en manoeuvreerbaarheid kan worden bereikt door een van snelheid afhankelijke verhouding tussen voorwiel- en achterwiel-stuurhoeken te bewerkstelligen. Honda lost dit effectief op mechanische wijze op door een niet-constante, van de hoek zelf afhangende verhouding te volgen. Bij lage snelheid worden grotere stuurhoeken toegepast dan bij hoge snelheid. Andere merken kiezen de duurdere maar ruimer beheersbare computergestuurde besturing van de achterwielen. Zo kunnen bijvoorbeeld naast de rijsnelheid

en de stuurwielhoek de gemeten spoorkrachten als

invloedsgrootheden worden gebruikt, zodat een meer constant

stuurkarakter in een ruim gebied van rijsnelheid en

dwarsversnelling kan worden bereikt. Uiteraard kan dan ook een

van de beladingstoestand onafhankelijk stuurgedrag worden

verkregen, door meting van de asbelastingen voor en achter. Een laatste project wil ik hier nog bespreken. Het betreft een reeds enige jaren lopend onderzoek naar de stabiliteit en het dynamisch

gedrag van tweewielers. Net als bij auto' s onderscheiden we

vertikaal trillingsgedrag , het vermogen om de berijder zo goed mogelijk van de wegdekoneffenheden te isoleren (door optimale veerdempconstructies), en het zijdelingse gedrag (het vermogen om precies en snel manoeuvres uit te voeren en storingen door windkrachten en wegdekinvloeden te kunnen weerstaan).

In een auto beinvloedt de bestuurder d.m.v. het stuurwiel en het rem-of gaspedaal de bewegingen van het voertuig. De berijder van een motorfiets daarentegen moet daarbij nog een stabiliserende aktie ondernemen om zijn voertuig voor omvallen te behoeden. Deze extra stabiliserende aktie van de berijder maakt de bestudering van het gedrag van tweewielers aanzienlijk ingewikkelder dan bij auto's. Het ontbreken van de zogenaamde rechtop-stabiliteit geeft

de plezierige mogelijkheid om schuin een bocht te kunnen

beschrijven. Op deze wijze door de bocht rijden gaat fraaier dan met een auto en is bovendien prettiger voor de berijder omdat er geen zijdelingse versnellingen op hem inwerken. Deze schuine stand echter, die wel tot 45 graden kan oplopen, speelt de theoreticus parten.

De onderzoeker stelt het rekenmodel op om daarmee berekeningen te kunnen uitvoeren. Er blijken n.l. ingewikkelde wisselwerkingen op te treden tussen vertikale veerbewegingen en zijdelingse

stuur-en kantelbewegingstuur-en. Om niet direct met het moeilijkste te

beginnen, werd besloten het onderzoek in fasen op te bouwen:

1. De ongestoorde min of meer rechtuitgaande beweging met

constante rijsnelheid op een vlak, horizontaal wegdek.

2. De ongestoorde beweging in een min of meer constante bocht met constante snelheid en op een vlak, horizontaal wegdek.

3. De beweging verstoord door wegdekonregelmatigheden, weer bij constante snelheid en op een vlak wegdek.

4. Manoeuvreerbaarheid van de tweewieler; invloed van

5. Remgedrag ; invloed van de remkrachtverdeling. Behal ve voor fase 1 werden in de literatuur geen of slechts zeer onvoldoende onderzoeksresultaten gevonden.

Fasen 1 en 2 zijn gedurende de laatste jaren reeds voor een belangrijk deel in het laboratorium onderzocht. Enkele openstaande vraagstukken wachten echter nog op verdere behandeling. In deze twee fasen kan de mens als actief besturend en stabiliserend element buiten beschouwing worden gelaten. Voor de modelvorming kan men zich nu beperken tot de dynamica (d.w.z. de onderling samenhangende bewegingen) van het hoofdframe met motorblok en een min of meer vast daaraan verbonden berijdersmassa, en van het bestuurbare voorframe. Bijzondere problemen leveren de wielen met de daarop gemonteerde luchtbanden. Het contact met de weg van een rollend lichaam, bijvoorbeeld een luchtband, vormt een belangrijk onderdeel van het onderzoek aan de TU Delft. Voor wat betreft de luchtband, en dan voornamelijk de autoband, is veel fundamenteel theoretisch en experimenteel onderzoek verricht. Voor het bepalen van de krachten en momenten in het contactvlak van motorfietsbanden onder verschillende in de praktijk voorkomende omstandigheden, werd aangepaste beproevingsapparatuur ontwikkeld. Al deze gegevens zijn nodig om het wiskundig model, waarmee de voertuigbewegingen nader kunnen worden onderzocht, te kunnen ontwikkelen en van de juiste waarden te voorzien. Verder zijn gegevens nodig betreffende de afmetingen, gewichten en stijfheden van het hoofd- en voorframe . De in fase 1. en 2. uitgevoerde berekeningen aan het uiteindelijk opgestelde model leveren informatie over de stabiliteit van het voertuig. Afhankelijk van de rijsnelheid en de voertuigconstructie blijken verschillende soorten oscillaties (slingerbewegingen) op te kunnen treden, die slecht gedempt of zelfs instabiel van karakter kunnen zijn. Deze instabiele oscillaties ontstaan als het ware vanzelf en kunnen niet of slechts met moeite in de hand gehouden worden. Bekend is de zogenaamde 'weave', met lage frequentie (1 a 2 Hz). Deze weave kan zich openbaren bi,j hogere snelheden en een slingerende beweging van het hele voertuig vertonen. Een tweede vaak minder gevaarlijke maar wel hinderlijke trilling is de zogenaamde 'wobble', met een hogere frequentie (ca. 5 Hz), die in het

middensnelheidsgebied voorkomt. Bandeigenschappen en

torsiestijfheid van voor- en hoofdframe spelen een essentiele rol. De ontwikkelde theorie lijkt goed met de praktijk overeen te komen. Nieuwe informatie over het gedrag in bochten dient nog in de praktijk te worden bevestigd. Ten behoeve van de verificatie van het wiskundige model is in ons laboratorium een radiografisch bestuurde motorfiets ontwikkeld, voorzien van de zogenaamde

, Rider-Robot' (zie figuur 3.).

Fig. 3. De motorfiets met "Rider-Robot".

Dit is een apparaat dat de menselijke berijder vervangt en de mogelijkheid opent om wegproeven met motorfietsen uit te voeren met een, door uitschakeling van de altijd onvoorspelbare invloed van de mens, grote nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid. Deze radiografisch bestuurde, maar zichzelfstabiliserende motorfiets, heeft in de zomer van 1985 met veel succes de eerste proefritten gemaakt. Vanaf ongeveer 5 km per uur kan met de steunarmen omhoog stabiel gereden worden. Deze stabilisatie werd gerealiseerd door terugkoppeling van de gemeten stuurhoek, de rolhoeksnelheid en de dwarsversnelling van het hoofdframe naar de elektromotor, die een koppel uitoefent op het stuur. De gemeten rijsnelheid adapteert de regeling. Het succes met de Rider-Robot bracht intussen het idee naar voren om een motorfiets te ontwikkelen die door middel van deze regeling een statisch en veilig rijgedrag vertoont. De invoering van de mechatronica opent zeker nog meer, hier niet genoemde en wellicht ook nog niet bedachte mogelijkheden, om het bewegingsgedrag van het voertuig te verbeteren. Een geintegreerd regelsysteem, dat hiervoor dient te worden ontwikkeld ten behoeve van alle genoemde functies lijkt, het meest belovend.

Onderwerp: Computertoepassingen in het ontwerpen van vliegtuigen. Auteur: ir. C. Bil

Ir. C. Bil is in 1981 afgestudeerd aan de Faculteit der Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek op het onderwerp: "Computergesteund ontwerpen van vliegtuigen". Gedurende de eindstudie heeft hij 6 maanden gewerkt bij de Lockheed-Georgia Company in de VS. Na het afstuderen is hij in dienst getreden bij de Faculteit der Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek als wetenschappelijk assistent met als opdracht een systeem te ontwikkelen t.b.v. het ontwerpen van vliegtuigen, met de nadruk op het concept-ontwerpen. Sinds 1986 in dienst als universitair docent.

Samenvatting

De ontwikkelingen op het gebied van Computer-Aided Engineering (CAE) in de vliegtuigindustrie stelt het luchtvaarttechnisch onderwijs voor de taak de toekomstige ontwerpingenieurs met deze nieuwe gereedschappen ver-trouwd te maken. Aan de Faculteit der Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek

(LR) van de Technische Universiteit Delft (TUD) is het ontwerpsysteem ADAS (Aircraft Design and Analysis System) in ontwikkeling voor koncept-ontwerpen van vliegtuigen t.b.v. het onderwijs en onderzoek. Het multi-disciplinaire karakter van de koncept fase, de daarin voorkomende, sterk wisselende ontwerpstrukturen en de nauwe interaktie met de ontwerper, stel-len speciale eisen aan een dergelijk CAE-systeem. Het doel van het project is o.m. na te gaan wat de fundamentele mogelijkheden van dit systeem zijn m.b.t. een meer efficiente uitvoering van het ontwerpproces en een ver-beterde ontwerpkwaliteit door optimalisatie. In deze presentatie wordt een korte beschrijving gegeven van het ADAS systeem, toegelicht met een voor->

beeld van ontwerp optimalisatie.

1

Inleiding.

De vliegtuigbouw is een industrie bij uitstek waar innovatie en toepassing van hoogwaardige technologie voorwaarden zijn om een rol van enige betekenis te kunnen spelen. Echter, figuur I laat zien dat vooruitstrevendheid steeds grotere investerin~en vereist:

• pe,.. leg leonst,..uletie gewicht

•

•

•

Lars~

Figuur 1 Trends in ontwerpkosten per ee~heid konstruktie gewicht (Ref. 1). Door technologische verbeteringen dalen weliswaar de onderhoudskosten en het brandstofverbruik, maar hier staat een stijging van de vliegtuig-prijs, dus van de vaste kosten, zoals afschrijving, verzekering en ren-teverlies, tegenover. Op dit moment bedragen de vaste kosten al ca. 40% van de direkte operationele kosten. Sinds enkele jaren zijn er in de

lucht-vaartwereld ontwikkelingen gaande met als doel deze hoge kosten enigszins te beteugelen danwel economisch te verantwoorden, e.g.:

• Vliegtuigfabrieken streven steeds meer naar onderlinge samenwerking om de

financiele risico's te spreiden en om een groter marktaandeel te bereiken. • Er wordt zo veel mogelijk getracht reeds ontworpen vliegtuigdelen ook bij

nieuwe toestellen toe te passen;

computertechnieken in het ontwerp en fabrikageproces.

Met betrekking tot dit laatste, laat figuur 1 tevens zien hoe vanaf de 60er jaren de bijdrage van de computer in de ontwerp inspanning relatief is toegenomen. Vonden deze ontwikkelingen in eerste instantie plaats binnen de grenzen van afzonderlijke technische disciplines, recente ontwikkelingen zijn vooral gericht op het koppelen en integreren van ontwerpsystemen, waarmee in feite computerondersteuning van het gehele ontwerpproces wordt bereikt. Onder Computer-Aided Engineering (CAE) wordt hier verstaan: de integratie van computertechnieken ter ondersteuning van alle technische en administratieve disciplines die het ontwerpproces omvatten, vanaf het

ini-tiele ontwerpstadium tot en met de voorbereiding voor produktie.

De oorsprong van CAE kan worden geplaatst bij de interaktief, grafische toepassingen van de computer rond de 60er jaren. Reeds in 1950 werd op het Massachusetts Institute of Technology (MIT) de technische mogelijkheid voor het genereren van eenvoudige tekeningen op een beeldscherm gedemonstreerd (Ref. 2). In 1963, na een periode van sterke vooruitgang in computer technologie, werd het eerste commerciele teken/ontwerp systeem (CADAM) door de Lockheed Aircraft Company ontwikkeld en op de markt gebracht. Dit systeem, met zijn vele verbeteringen en uit-breidingen naderhand, is tegenwoordig bij ve~e vliegtuigfabrikanten in

gebruik. Computerondersteuning bij het 2D tekenen en 3D modelleren wordt in het algemeen geassocieerd met het begrip computergesteund tekenen/ontwerpen (CAD) en vormt een zeer belangrijk onderdeel in een CAE-omgeving voor het definieren en weergegeven van geometrische informatie van het produkt. Het genereren van instrukties voor de besturing van NC-machines op basis van een computer model wordt meestal aangeduid met computergesteund fabriceren

(CAM) .

Ref. 3 geeft een klassifikatie van bestaande computer gereedschappen binnen een CAE-omgeving, ingedeeld naar afhankelijkheid van discipline/subsysteem, toepassingsgebied en de ontwerpfase (Figuur 2) :

..

r

~ ~APPLIKATIE

O/SC/~V

Figuur 2 Klassifikatie van computer gereedschappen in het CAE spektrum.

De traditionele 'turn~ey' CAD/CAM systemen worden gekenmerkt door hun

groot toepassingsgebied: praktisch ieder willekeurige vorm kan worden

vastgelegd en weergegeven. Met speciale engineering pakketten wordt o.a.

verstaan systemen voor konstruktieve en aerodynamische analyse, meestal

gebaseerd op de eindige elementenrnethode (FEM). Door hun fundamentele opzet zijn ook deze FEM-pakketten redelijk algemeen toepasbaar. Tegenwoordig zijn zelfs z.g. interfaces beschikbaar waarmee CAD/CAM-systemen en FEM-pakketten

kunnen worden gekoppeld. Het computergebruik binnen het voorontwerpproces

is vooralsnog beperkt tot het (batch) verwerken van opzichzelfstaande

pro-grammatuur, ontwikkeld op een ad hoc basis. De programmatuur is sterk

afhankelijk van het specifieke probleem waarvoor het is geschreven en is

daarom beperkt bruikbaar en snel verouderd. Een belangrijke reden waarom

CAE tot nu toe niet echt is doorgedrongen in de voorontwerpfase ligt o.a.

in het vertalen van de specifieke eisen naar een ontwerpsysteem.

Desal-niettemin worden de potentiele voordelen van CAE in het voorontwerpfase

door de vliegtuigindustrie onderkend en zijn thans vele ontwerpsystemen in

ontwikkeling of reeds in gebruik. Een voorbeeld van een zeer geavanceerd

voorontwerpsysteem is Boeing's Computer-aided Preliminary Design System

(CPOS) (Ref. 4). In Nederland zijn bij Fokker (o.a. VOS-systeem) en het

Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratoriurn (o.a. MEBAS-systeem)

soort-gelijke systemen in ontwikkeling. Ook andere technische universiteiten

leveren in deze hun bijdrage, zoals de Technische Universiteit in Berlijn

(Ref. 5).

Naar aanleiding van deze ontwikkelingen in de industrie, heeft de TUD

in 1983 computerapparatuur aangeschaft specifiek voor verkennend onderzoek

op het gebied van CAD (Ref. 6). De hardware konfiguratie van dit systeem,

welke wordt aangeduid als de Interafdelings CAD Installatie (ICI), is

schematisch weergegeven in rf~i~~;=u=r==3==:==============~~

IBH 3083 Moinfra.e

'"vor botcll~·.

bond ...",., d

PRIME 750

dotG toblet + t-.do ..,." Lokool 9""" 8Ch geNtugen

Parallel met de aanschaf van de ICI werd aan de Faculteit der Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek een onderzoekproject geentameerd voor de ontwikkeling, verifikatie en toepassing van programmatuur specifiek voor koncept-ontwerpen van vliegtuigen. De verzameling (systeem) van deze pro-grammatuur wordt aangeduid met Aircraft Design and Analysis System, of kortweg ADAS (Ref. 7).

In deze presentatie zal in 'vogelvlucht' een overzicht worden gegeven van het ADAS systeem en zal nader worden ingegaan op de verschillende modules en hun onderlinge samenhang. Tenslotte wordt, bij wijze van voor-beeld, de resultaten gepresenteerd van een ontwerp optimalisatie studie uitgevoerd met ADAS.

2 Het vliegtuig ontwerpproces.

Voor het ontwikkelen van een ontwerpsysteem is het van belang vast te stellen welke activiteiten en informatiestromen in het vliegtuig ontwerpproces plaats vinden, teneinde een zekere struktuur vast te stellen, op basis waarvan een ontwerpsysteem kan worden ontwikkeld. Tevens moet zorgvuldig worden nagegaan welke processen geautomatiseerd kunnen/moeten worden en bij welke de direkte invloed van de ontwerper gewaarborgd moet blijven.

Binnen het ontwerpproces worden in het algemeen een aantal fasen onderscheiden, die zich in de tijd kunnen overlappen (Figuur 4):

IC~ IIIUIIA TI f

~TIIIICICfL 1 lIG

Figuur 4 De belangrijkste fasen in het vliegtuig ontwerpproces (Ref. 8). De aanzet tot het ontwikkelen van een nieuw commercieel vliegtuigtype vloeit meestal voort uit de resultaten van marktstudies, die de vraag voor een nieuw toestel zichtbaar maken. In overleg met potentiele klanten

wor-den de voorlopige prestatie en operationele eisen geformuleerd en

vast-gelegd in een ontwerpspecifikatie. Op basis hiervan wordt in de koncept fase een groot aantal, bijv. 100, mogelijke vliegtuigkonfiguraties voor-gesteld en geevalueerd. Vervolgens wordt een beperkt aantal, bijv. 10, veelbelovende ontwerpkonfiguraties geselekteerd en in de voorontwerpfase

nader bestudeerd. Tenslotte wordt een definitieve konfiguratie gekozen welke in detail wordt uitgewerkt en waarvan uiteindelijk produktie teke-ningen worden gemaakt.

Met name de konfiguratieve ontwikkeling wordt gekenmerkt door het

herhaaldelijk doorlopen van een drietal stappen, achtereenvolgens: het

definieren van een ontwerpkonfiguratie, vervolgens deze analyseren met

geschikte methodieken en tenslotte deze resultaten vergelijken met de

gespecificeerde doelstellingen. Indien nodig, wordt het ontwerp gewijzigd

en begint het proces opnieuw. Dit cyclische karakter loopt als het ware

als een rode draad door het gehele ontwerpproces heen. In figuur 5 is het

iteratieve karakter schematisch weergegeven in een stroomdiagram, waarbij

de terminologie is vertaald in een meer mathematisch vorm, geschikt voor

implementatie in een computersysteem:

TENTATIEF ONTWERP ONTWERP DEFINITIE NEE ANALYSE HETHO/lEN Cl/jTIlEAP EISEII/ ~~Al.ITEITSl:RITERIIM

Figuur 5 Stroomdiagram van het ontwerpproces in een computersysteem.

Hoewel de ontwerpspecifikatie, de luchtwaardigheidsvoorschriften,

technologische beperkingen, industriele overwegingen, enz., randvoorwaarden opleggen t.a.v. het ontwerp, ligt hiermee de ontwerpkonfiguratie zeker niet eenduidig vast, i.c. er zijn in het algemeen vele konfiguraties die aan de

gestelde eisen voldoen. Dit biedt ruimte voor ontwerp optimalisatie,

vooropgesteld dat een geschiktkriterium kan worden geformuleerd op basis

waarvan de kwaliteit van het ontwerp kan worden getoest. De onafhankelijke

variabelen (ontwerpparametersl worden steeds opnieuw bijgesteld zodanig dat het zoekproces konvergeert naar een 'optimaal' ontwerp. Er zijn in principe 3 optimalisatie procedures die dit proces kunnen sturen:

• Intuitief ontwerpen.

Deze procedure in vergelijkbaar met de traditionele ontwerpwijze waarbij

de ontwerper, in belangrijke mate geinspireerd door ervaring en intuitie, de ontwerpparameters selekteert en wijzigt .

• Expliciet optimaliseren (parameter variatie).

Eij deze procedure worden diskrete kombinaties van

ge~ozen en systematisch geanalyseerd. De invloed van

op de ontwerp eigenschappen kunnen vervolgens grafisch

ontwerpparameters parameter variatie zichtbaar worden

gemaakt (gevoeligheidsstudies) .

• Impliciet optimaliseren.

Bij impliciet optimaliseren dienen de ontwerpeisen en het kwaliteitskri-terium te worden gekwantificeerd in vorm van respectivelijk randvoorwaar-den en een doelfunktie. Een optimalisatie algoritme past de gespecifi-ceerde ontwerpparameters (vrije variabelen) aan op basis van een zoekstrategie, aan de hand van zuiver mathematische informatie, totdat het optimum is bereikt.

In ref. 9 worden de voor- en nadelen van deze optimalisatie procedures nader vergeleken. Hieruit blijkt dat deze optimalisatie procedures in belangrijke mate komplementair zijn. De konklusie is dan ook dat een ontwerpsysteem de ontwerper de mogelijkheid moet bieden om, afhankelijk van het ontwerp probleem, tussen deze optimalisatie procedures te kiezen.

3 Het ADAS ontwerpsysteem.

Mede op basis van de voorgaande beschouwingen is de algemene architek-tuur van het huidige ADAS systeem als volgt opgezet (Figuur 6):

Figuur 6 ADAS algemene systeem architektuur. 31

Het ADAS systeem bestaat in hoofdzaak uit 3 opzichzelfstaande programma's, met onderlinge gegevensoverdracht via een centraal gegevensbe-stand:

• Het ADAS programma vormt de kern van het systeem en verzorgd o.a. de

interaktieve communicatie met de ontwerper via een kommando taal (Ref.

10)

• Vanuit ADAS kan het stuurprogramma ADAP (Aircraft Design and Analysis Program) worden opgestart waarmee analyse berekeningen kunnen worden uit-gevoerd.

• Tenslotte kan met het MEDUSA systeem, het algemene teken/modelling systeem op de ICI, de ontwerp geometrie via een tekening worden vast-gelegd.

In het navolgende zullen deze programma's en hun onderlinge samenhang nader worden toegelicht.

3

J

Ontwerp definitie.

3

J J

Het MEDUSA teken en modelling systeem.

Met het MEDUSA 2D tekenprogramma kan een schematische konfiguratie

tekening (3 aanzichten) worden ingevoerd en zo de geometrie van het ontwerp worden vastgelegd (Figuur 7) :

o

Tussen ADAS en MEDUSA is een koppeling (interface) gerealiseerd, waar-door geometrische informatie tussen beide systemen kan worden uitgewisseld. MEDUSA als opzichzelfstaand systeem, gebruikt een eigen database struktuur voor het opslaan van tekeningen (tekening database). De inhoud van een te-kening database bestaat uit elementaire grafische komponenten,zoals lijnen, tekst en primitieven. Per element kunnen attributen worden toegekend die uiteindelijk de vorm en positie van het element in de tekening bepalen. Een voorbeeld van een attribuut is een z.g. laagnummer. Door het toekennen van laagnummers door de ontwerper kunnen groepen van elementen worden onder-scheiden waarop bijvoorbeeld bepaalde tekenfunkties kunnen worden toe-gepast.

Om een MEDUSA-tekening geschikt te maken voor ADAS, dienen grafische elementen in voorgeschreven laagnummers te worden geplaatst. Het ADAS-MEDUSA interface programma gebruikt deze laagnummers om elementen als specifieke vliegtuigkomponenten te herkennen en verdere geometrische grootheden, zoals dimensies, volumes, omspoelde oppervlakten, enz., te kun-nen bepalen. Het belang van deze ADAS-MEDUSA koppeling is verder dat ook andere programma's gekoppeld aan MEDUSA indirekt voor de ADAS gebruiker beschikbaar zijn.

31.2 ADAS ontwerpgegevens bestand.

De gegevens van een ontwerp zijn opgeslagen in een z.g. ADAS ontwerpgegevens bestand (database). De inhoud van een ADAS database bes-taat uit een aantal groepen van informatie:

• Een ADAS ontwerp database bevat een groot aantal (max. 10000) ontwerp-gegevens, bijv. gewichtsverdeling, aerodynamische gegevens (weerstand en draagkracht bij verschillende vliegkondities), operationele informatie (vliegsnelheid, hoogte). De fysische betekenis van deze gegevens staat beschreven in een z.g. Data Dictionary File (DOF). De DDF is voor alle ADAS gebruikers gelijk. De koppeling tussen de getallen in een database en de fysische omschrijving in de DDF vindt plaats via een gemeenschap-pelijk rangnummer (index) (Figuur 8):

beschrijving

30 NI. lOAJlI. ICG/HZ 0

31 NI. ASPfCT RAT/O 3 32 NI. TA!ER RATIO 3

+

9999 IjI)T \'ET ASsIGIED 0 10000 ""T \'ET ASSIGIED 0

ontwerp

gegevens

beeldscherm representatie

301085> ~I. LOAJlI. 446. ICGIH2 311085> NI. ASPfCT RAT/O 8.332 321085> NI. TAPER RATIO 0.323 AOAS>

Figuur 8 De funktie van de DDF voor de beschrijving van ontwerpgegevens . • Tevens bevat een ADAS database namen van files met additionele

infor-matie die bij het ontwerp horen. Bijvoorbeeld de naam van de MEDUSA-tekening waarin de geometrie van het ontwerp is vastgelegd (cf. 3.1.1).

Ook bijv. motorprestaties en aerodynamische gegevens van profielen staan

in aparte files (in bibliotheken) en zijn algemeen beschikbaar. Deze

gegevens komen meestal van een externe bronnen, zoals motorfabrikanten,

windtunnel experimenten en grote rekenprogramma's .

• Tenslotte dienen instrukties in de database worden opgeslagen om aan te

geven op welke wijze de ontwerp analyse moet worden uitgevoerd (cf.

3.1.3) .

313 Analyse programma.

ADAS bevat in principe geen ontwerp kennis. De ontwerper dient een

FORTRAN programma te schrijven waarin alle gewenste berekeningen worden

uitgevoerd, een z.g. analyse programma. Dit programma kan vervolgens aan

het stuurprogramma ADAP worden gekoppeld en worden uitgevoerd. Weliswaar

dient de gebruiker enige kennis te hebben van programmeren in FORTRAN, maar

deze oplossing verhoogt de algemene bruikbaarheid en flexibiliteit van het

systeem aanmerkelijk.

De ontwerper kan naast eigen ontwikkelde rekenmethoden tevens gebruik

maken van voorgeprogrammeerde, standaard routines welke zijn opgeslagen in

een programmabibliotheek. Met deze, algemeen beschikbare, routines kan een

eenvoudige tot een zeer gekompliceerde analyse programma worden

samengesteld (Figuur 9):

r

--=--=--=--=--=--=--=--=--=----=:1

1

d,:~~~?~)1gewlchten

1 1

I

I

I

~toiL

"'",11

11

II_-=--=--=--=

=--= PROGRA*A 8/1ll./0TtEfICJJ

ADAS

emeen ontwer 5 steem

Figuur 9 Principe van een bibliotheek met analyse methoden.

3.2 Ontwerp analyse.

Als de ontwerp definitie is voltooid, kan het ontwerp worden

geanalyseerd m.b.v het stuurprogramma ADAP. Dit programma vereist geen

ver-dere interaktie met de ontwerper en kan daarom zowel in de voorgrond

(on-line), in de achtergrond (phantom) of de avonduren (batch) worden verwerkt,

dit laatste is vooral van belang bij lange rekentijden (optimalisatie).

Afhankelijk van de instrukties gespecificeerd in de ontwerp database, kan