Simulation Multidisziplinäre Optimierung verändert Fahrzeugentwicklung

Autor: Stefanie Michel

Automobilhersteller müssen auf zahlreiche Anforderungen reagieren – möglichst schnell, möglichst günstig. Simulation ist deshalb unverzichtbar geworden. Künftig wird man mehrere Disziplinen gleichzeitig betrachten, um deren Interaktion zu berücksichtigen.

Firmen zum Thema

Die Fahrzeughersteller optimieren die Form anhand aerodynamischer Simulationen. In Zukunft wird man sie mit anderen Disziplinen, beispielsweise Strukturmechanik oder Akustik, kombinieren.
Die Fahrzeughersteller optimieren die Form anhand aerodynamischer Simulationen. In Zukunft wird man sie mit anderen Disziplinen, beispielsweise Strukturmechanik oder Akustik, kombinieren.
(Bild: Ansys)

Der Golf ist ein Paradebeispiel – für den Wandel in der Automobilentwicklung. In seinem „Geburtsjahr“ 1974 wog er lediglich um die 800 kg, denn an Klimaanlage, Sitzheizung, Mittelkonsole, Airbag oder Infotainmentsystem war noch nicht zu denken. Erst später entstanden daraus die „Derivate“ Jetta, Cabrio, Caddy, und GTI. Zum 25. Jubiläum, die vierte Generation des Kompaktautos war bereits auf dem Markt, brachte das Fahrzeug je nach Ausstattung 300 bis 600 kg mehr auf die Wage; zudem standen schon 27 Motor-Getriebe-Kombinationen zur Auswahl. Ab 2003 kam die Derivatentwicklung richtig in Schwung: die Blue-Motion-Modelle sind erhältlich, ebenso verschiedene Assistenzsysteme, außerdem entstehen unter anderem der Golf Plus, der Cross Golf, der neue Variant, eine GTI-Version des Cabrios und seit 2014 auch eine reine Elektrovariante sowie eine Plug-in-Hybrid-Version. Trotz vieler zusätzlicher Ausstattungsmerkmale und Sicherheitssystemen pendelte sich das Gewicht in den letzten Jahren bei 1100 bis 1500 kg ein – abhängig von der gewählten Variante.

Was uns diese Entwicklung deutlich zeigt: Die Fahrzeuge sind zunächst schwerer geworden, aber angesichts der Ausstattung konnte man in den letzten 10 bis 15 Jahren das Gewicht halten, zum Teil sogar leicht senken. Ebenso auffällig ist die fast unüberschaubare Anzahl an Derivaten oder Modellen, die auf der gleichen Basis beruhen, und die Zunahme an elektronischen Systemen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 9 Bildern

Anforderungen und Variantenvielfalt sind extrem gestiegen

Was war also geschehen? Zum einen sind die Kundenwünsche immer differenzierter geworden, aber auch die globalen Anforderungen sowohl in gesetzlicher Hinsicht als auch in Consumer Ratings sind stark gestiegen. Es muss sich also einiges bei der Entwicklung von Fahrzeugen verändert haben, um diese Vorgaben umsetzen zu können, denn alles ist viel komplexer geworden, die Entwicklungsteams aber nicht größer. Wie eine Studie der Aberdeen Group vom Juni 2014 zeigte, setzen deshalb 73 % auf frühen Einsatz von Simulation.

Grundsätzlich ist die Digitalisierung in der Fahrzeugentwicklung und -produktion weit fortgeschritten und damit auch der Einsatz digitaler Prozesse, Modelle und Methoden. Besondere Bedeutung hat inzwischen die Simulation, die zum großen Teil Prototypen überflüssig macht und prinzipiell Zeit beim Engineering einspart. Prinzipiell, denn die Anforderungen und die Variantenvielfalt sind inzwischen extrem gestiegen, sodass sie den Zeitgewinn auffressen. Damit ist die Simulation unverzichtbar geworden.

Schon jetzt hat Simulation vieles verändert und wird dies auch in Zukunft tun. Um sicherzustellen, dass trotz der Komplexität alle Komponenten miteinander unter allen möglichen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren, müssen zunehmend alle Disziplinen in gemeinsamen Teams zusammenarbeiten. Noch berücksichtigen viele Simulationen in der Automobilindustrie nur einen einzigen Aspekt, beispielsweise die mechanische Simulation der Bremskraft. Ebenso muss aber auch deren Kühlung berücksichtigt werden, denn wenn die beiden Phänomene interagieren, kann es sonst zu Komplikationen kommen. Deshalb steht für Ansys fest: „Der Trend geht ganz klar hin zur Simulation mehrerer Eigenschaften gleichzeitig. Die Vision ist der virtuelle Prototyp.“

Wechselwirkungen durch Simulation mehrerer Disziplinen besser verstehen

Auch Altair positioniert sich hier deutlich, wie Adrian Wischnewski, Projektleiter bei Altair, bestätigt: „Zur Zeit ist die multidisziplinäre Optimierung von großem Interesse, denn so kann man alle Anforderungen unter einen Hut bekommen und Wechselwirkungen unter den verschiedenen Anforderungen besser verstehen. Erst aus dem Zusammenspiel wird ein großes Ganzes.“ Konkret heißt das: statt wie bisher getrennt zu rechnen und sich danach im Gesamtteam zu besprechen, können mit Simulationssolvern heute bereits Crash-Steifigkeiten mit statischen Steifigkeiten oder Schwingungen kombiniert werden und viele Simulationen gleichzeitig ablaufen. Dann wird im Ganzen betrachtet, wie man das Endziel erreichen kann; Einzelteams müssen Verantwortung abgeben.

In Zukunft wird man sich außerdem von den theoretischen Lastfällen immer weiter entfernen und statt dessen mehr und mehr die Realität abbilden. So kann aufgrund steigender Rechenleistung zum Beispiel bald ein kompletter Unfallhergang vom Regelungseinfluss, vom Bremsen über das Schleudern bis hin zum Verhalten der Insassen abgebildet werden. Dann haben auch sogenannte Crash Test Dummies ausgedient, denn zur realistischen Simulation müssen auch möglichst realistische „Mensch-Modelle“ eingesetzt werden.

Systems Engineering als Herausforderung für Entwickler und Computer

Ein prädestiniertes Beispiel für das Zusammenspiel verschiedener Disziplinen, ist die Einbindung von Software, Hardware und Elektronik in die Mechanik des Fahrzeugs. Man kann von einem mechatronischen System sprechen, für dessen Beherrschung das Systems Engineering immer wichtiger wird. Auf Basis der (Kunden-) Anforderungen wird die Fahrzeugentwicklung aufgebaut, indem man ein virtuelles Fahrzeug auf Systemebene entwirft. Damit können Subsysteme bereits vor der Realisierung getestet werden.

Über offene Entwicklungsplattformen können nun unterschiedliche Teams aufeinander abgestimmte Simulationen von Systemmodellierung (0D-1D) und Produktvalidierungen (3D) durchführen. ESI erlaubt beispielsweise mit seiner Plattform Visual-Environment die Beschreibung von Systemen über unterschiedliche physikalische Anwendungsbereiche – von Crashtest und Insassensicherheit bis hin zu Elektrizität oder mechanischen, elektrischen, elektronischen, hydraulischen sowie thermischen Steuerungen. Die verschiedenen Simulationen laufen auch entlang des Entwicklungsprozesses, je nach Entwicklungsstand der jeweiligen Systeme mit Hardware-in-the-loop und Software-in-the-loop. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel der Zeit- und Kostenaufwand bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen reduzieren. Eine Herausforderung ist das allemal, denn man muss jedes einzelne Subsystem beherrschen, um schließlich eine Mehrkörpersimulation mit einer Funktionssimulation zusammenbringen kann. Das kostet Rechenleistung – dabei ist das „Mensch-Modell“ noch gar nicht mit berücksichtigt, obwohl es auch als Fahrer beispielsweise auf die Fahrdynamik Einfluss nimmt.

„Um die mit einer fortschrittlicher Systemmodellierung verbundene Komplexität beherrschen zu können ist die sichere Handhabung der Modellarchitektur, des anwendungsübergreifenden dynamischen Verhaltens und der Verbindung von Modell, Simulation und Systemtechnik erforderlich,“ sagt Dr. Emmanuel Arnoux, Experte für Systemsimulation, ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) und autonomes Fahren bei Renault. „Das ist der Grund, warum Systemsimulationssoftware zukünftig zu einer absoluten Notwendigkeit wird.“

Mehr Software-Code im Auto als im Kampfjet

Angesichts der steigenden Bedeutung von Fahrerassistenzsystemen, steigt auch der Einsatz von Software-Komponenten. In welcher Weise, das verdeutlichen gigantische Zahlen: Während die Software des Mars Curiosity Rover aus „lediglich“ 5 Mio. Zeilen Code bestand, waren es beim kleinen Elektroauto Chevy Volt schon 10 Mio., beim Kampfjet F-35 24 Mio., bei einem modernen High-end-Fahrzeug allerdings 100 Mio. Zeilen. Hinzu kommt, dass diese Software sicher sein muss. Dafür stellen Unternehmen wie Ansys nach ISO 26262 zertifizierte Codegeneratoren zur Verfügung, damit die Entwickler sicherstellen können, dass ihre generierten Embedded-Software-Applikationen die für die Automobilindustrie strengen Sicherheitsvorgaben erfüllen.

Doch nicht nur die verschiedenen Disziplinen müssen zusammenarbeiten; auch alle Entwicklungsbereiche wie Fahrwerk, Elektrik, Antriebsstrang und Karosserie sind eng miteinander vernetzt und nutzen die gleichen Datenmodelle. Wiesen die Komponenten in physischen Prototypen früher unterschiedliche Entwicklungsgrade auf, so können mit der Erstellung virtueller Prototypen die Entwicklungsstände abgestimmt werden. Ist dann ein physischer Prototyp nötig, haben alle Komponenten die gleiche Entwicklungsreife. Bei Audi wurde zum Beispiel die Entwicklung des A4 maßgeblich durch virtuelle Methoden und Simulation bestimmt. Durch die hohe Produktreife konnten physische Prototypen minimiert werden. Zudem ist man dort sicher, dass eine Optimierung dieser Prozesse die Wettbewerbsfähigkeit in der Automobilindustrie steigern kann.

Leichtbaupotenziale dank multidisziplinärer Optimierung

Ein weiteres Beispiel für multidisziplinäre Optimierung ist das Gewicht beziehungsweise die Gewichtsreduktion. Seit September 2014 gilt in Europa die Norm Euro 6, die Grenzwerte für den Ausstoß von Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC) und Partikel festlegt. Zudem haben die EU-Länder CO2-Grenzwerte beschlossen, sodass beispielsweise bis 2020 95 % aller neuen PKW maximal 95 g CO2 pro Kilometer ausstoßen dürfen; heute sind es noch 130 g. Die Autos müssen also weniger Kraftstoff verbrauchen, und hierbei spielt Leichtbau eine große Rolle. Doch so einfach ist das nicht, denn trotz weniger Gewicht muss der Komfort und das Fahrverfahren stimmen sowie die Crashsicherheit den Anforderungen genügen. Zu Ergebnissen kann man hier nur gelangen, wenn die unterschiedlichen Disziplinen, wie Schwingungsauslegung, Berechnung der Steifigkeit, Blechumformung und Akustiksimulation, in einem Team zusammenarbeiten.

Möglichst früh in der Entwicklungsphase und mit CAE-Methoden lässt sich das Optimierungspotenzial am besten umsetzen. In Betracht gezogen werden müssen die Geometrie, der zur Verfügung stehende Bauraum, Lastkollektive, das Material und die Fertigungsverfahren. Es genügt also nicht, einfach nur die Konstruktion zu verändern – auch wenn die Konstrukteure bereits in dieser Phase Simulationswerkzeuge einsetzen können. Zusätzlich muss er sich mit einem CAE-Ingenieur abstimmen, der die ideale Formgebung rein aus der Funktion heraus vorgibt. Nur gemeinsam kann schließlich ein optimales Ergebnis erreicht werden: Das kann einfach ein leichteres Bauteil sein, oder das Bauteil erhält noch weitere Funktionen, sodass die übergeordnete Baugruppe weniger Gewicht aufweist. CAE nimmt dabei eine strategieunterstützende Rolle ein

Vorteile des 3D-Drucks weckt Interesse in der Automobilindustrie

Leichtbaupotenziale lassen sich auch mit 3D-Druck erschließen. Das bedarf zwar keiner neuen Simulationsmethoden, erlaubt aber Strukturoptimierungen, die sonst nicht möglich wären. Über additiv gefertigte Gussformen sind Bauteile herstellbar, an die man sonst gar nicht denken konnte. Was die Konstruktion betrifft, sind die Ingenieure nun viel freier. Deshalb ist die Automobilindustrie sehr interessiert an den additiven Verfahren – auch wenn sich Bauteile in großen Stückzahlen bisher nicht fertigen ließen. In der Formel 1 nutzen allerdings Teams wie Red Bull schon heute 3D-Drucker für die Einzelfertigung extrem leichter Bauteile.

Der Leichtbau ist allerdings nicht alleine dafür verantwortlich, dass weniger Kraftstoff benötigt wird. Simulation hilft ebenso herauszufinden, wie man mit einem kleinen Motor weniger verbraucht und doch die gleiche Leistung erreicht. Um einerseits die komplexe Physik über thermische und fluidische Modelle abzubilden sowie andererseits den engen Bauraum, die Modell- und Motorenvielfalt und die kurzen Entwicklungszeiten zu berücksichtigen, ist der Einsatz virtueller Methoden und Simulationen unumgänglich. Doch dann lassen sich kleinere Motoren mit Turbolader entwickeln, die höhere Leistungen erreichen.

Mithilfe von Simulation kann die Automobilindustie den heutigen Anforderungen frühzeitig begegnen. Ziel ist, in Zukunft komplette Produktsimulationen mit allen Fahrzeugkomponenten durchzuführen. Dann lässt sich schnell herausfinden, welche Auswirkungen minimale Veränderungen auf das gesamte Fahrzeug haben.

(ID:43504181)

Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt