Simulation Sicherheit geht vor – CAE-getriebenes Design senkt Entwicklungskosten

Autor / Redakteur: Leoni Meijer und Mirko Bromberger / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Bei der Entwicklung eines neuen Kindersitzes hat Sicherheit oberste Priorität. Dorel Juvenile, Marktführer im Bereich Sicherheit für Kinder in Fahrzeugen, stand kürzlich vor der Aufgabe, einen neuen Kindersitz zu entwickeln. Mithilfe des CAE-getriebenen Designs wurden deutlich weniger physikalische Tests und Prototypen benötigt, sodass das Projekt kosteneffizient abgeschlossen werden konnte.

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(Bild: Dorel Juvenile)

Um das beste Design, unter Berücksichtigung der bei einem Unfall auftretenden Kräfte, zu bestimmen und zu analysieren, hat sich Dorel Juvenile an Code Product Solutions gewendet, ein niederländischer Entwicklungsdienstleister, der seine Kunden mit Computer Aided Engineering (CAE) Werkzeugen und Engineering Dienstleistungen bei der Entwicklung und Optimierung ihrer Produkte unterstützt.

Frühzeitiger Einsatz von Simulation

In diesem Projekt waren Harold van Aken, CEO und Senior Simulation Engineer bei Code Product Solutions und sein Team für die virtuelle Entwicklung und für Crash-Simulationen verantwortlich. Während viele Unternehmen die Simulation immer noch spät im Entwicklungsprozess einsetzen – zu einem Zeitpunkt, an dem das Design fast fertig ist und größere Änderungen sehr teuer sind – nutzt Code Product Solutions die Simulation sehr früh im Entwicklungsprozess, bereits während der Konzeptphase. Dadurch kann das Produktdesign hinsichtlich Gewicht und Leistung schon optimiert werden, bevor wichtige Designentscheidungen getroffen werden müssen. Diese Methode nennt man CAE-getriebenes Design.

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Im Projekt eingesetzte Software

Innerhalb des Entwicklungsprozesses verwendeten die Ingenieure von Code Product Solutions die Werkzeuge der CAE-Suite Hyperworks, darunter

  • Radioss für Crash-Simulationen,
  • Optistruct für das Layout der hochbelasteten Kunststoffkomponenten, die Sitzverstellung umfassen,
  • Hypermesh für Preprocessing Aufgaben sowie
  • Hypercrash und Hyperview zur Aufbereitung der Ergebnisse.

Neben Hyperworks nutzt Code Product Solutions auch Altairs PBS Professional, ein Workload-Management Werkzeug zur effizienten Planung und Verwaltung der einzelnen Jobs im High Performance Computing (HPC) Cluster, mit Radioss gekoppelte Madymo Dummies sowie Moldflow für die Spritzgusssimulation. Madymo ist ein Mitglied der Altair Partner Alliance (APA), ein Programm, das Altair Kunden über das flexible Lizenzsystem der Hyperworks Units ohne zusätzliche Kosten ein breites Spektrum an Lösungen von Drittanbietern zur Verfügung stellt. Dank der Altair Technologien sparte Code Product Solutions seinen Kunden Zeit und Geld, während alle Designanforderungen erfüllt werden konnten.

Die Herausforderung - Sicherheit an erster Stelle

Ziel des Projektes war zunächst die Überarbeitung des bereits existierenden Maxi-Cosi Family Fix Sitzgestells, um neben dem vorwärts gerichteten Einbau im Fahrzeug auch eine rückwärtsgerichtete Position zu ermöglichen. Die Anforderungen an Kinderrückhaltesysteme variieren in Bezug auf Alter, Gewicht und Größe des Kindes. Für Neugeborene und Babys werden rückwärtsgerichtete Kindersitze verwendet, Kleinkinder werden in vorwärts gerichtete Kindersitze gesetzt und ältere Kinder verwenden Sitzerhöhungen. Als der neue europaweite Standard für Kindersitze – die I-size Vorschrift – im Laufe des Projektes eingeführt wurde, hat sich Dorel Juvenile entschieden, dass der neue Sitz diese neuen Anforderungen erfüllen sollte. Die Kombination aus gewünschter Zusatzfunktionalität und weiteren gesetzlichen Vorgaben machten ein fast vollständiges Re-Design des Sitzgestells nötig.

Konstruktive Herausforderungen mit numerischen Analysen lösen

Die größten Herausforderungen lagen in den erhöhten Lasten, die aufgrund der Zwei-Wege-Funktion auftraten und im reduzierten und modifizierten Bauraum des Sitzgestells. Insbesondere die weiter nach vorne gerichtete Position des Stützbeins erforderte größere Änderungen des Designs und der Struktur. „Die konstruktiven Herausforderungen konnten durch unsere umfangreiche Erfahrung bei der Auslegung von Spritzgussbauteilen in Kombination mit der Materialauswahl und numerischen Analysen mit Hyperworks zur Verifizierung des Konzepts gemeistert werden“, sagte van Aken.

CAE-getriebenes Design: die Lösung für den passenden Designansatz

Die enge Zusammenarbeit zwischen Dorel Juvenile und Code Product Solutions sowie der Einsatz der CAE-getriebenen Designmethode mit Hyperworks führten zu einem sehr effizienten Entwicklungsprozess beim Re-Design des Sitzgestells. Dank der virtuellen Crash-Tests mit Altairs Hyperworks CAE Suite waren keine physikalischen Prototypen oder Zwischentests erforderlich, denn die Ingenieure konnten bereits mit dem ersten detaillierten Designvorschlag ein passendes Ergebnis erzielen. Peter Stokman, Innovation Manager Technology bei Dorel Juvenile bestätigte: „Die Ergebnisse der Simulationen von Code Product Solutions waren maßgeblich beim Design des 2 Way Pearl.”

„Die CAD Modelle wurden zunächst im CAD-System unseres Kunden aufgesetzt und anschließend mit Hypermesh vernetzt. Einer der größten Vorteile von Hypermesh in diesem Projekt war die Funktion der Mittelflächenvernetzung, insbesondere für Crash-Modelle. Die Crash-Berechnungen wurden in Radioss, unserem expliziten Standard-Solver für die Entwicklung der Kindersitze, durchgeführt“, erklärt van Aken weiter.

Automatisch erstelltes Crash-Modell

Für Modellüberprüfungen, die Dummy-Positionierung und die Gurtführung des Ausgangsmodells wurde dann Hypercrash eingesetzt. Um die Entwicklungskapazität für die Designaufgaben vollständig auszuschöpfen, verwendete Code Product Solutions darüber hinaus eine eigenentwickelte Software, die automatisch einen vollständigen Satz an Modellen für die Simulation der 12 erforderlichen Lastfälle erstellt. Hierbei muss der Ingenieur lediglich die entsprechende Version der Module importieren, die Software erstellt dann, unter Verwendung der Radioss-Funktionen, automatisch das gesamte Crash-Modell.

Mehr Zeit für die Konstruktion

Darüber hinaus konnte dank der automatischen Berichterstellung in Hyperview, die im Projekt zur Verfügung stehende Zeit für weitere konstruktive Aufgaben verwendet und so mehr potenzielle Lösungen untersucht werden. Die detaillierten PDF-Berichte werden automatisch erzeugt sobald die Simulation abgeschlossen ist. Sie umfassen qualitative Ergebnisüberprüfungen, Energielevel, Schnittkräfte sowie Spannungs- und Dehnungsresultate und ermöglichen damit einen schnellen Vergleich der einzelnen Designkonzepte.

„Wir waren mit dem Endergebnis und der durch dieses Projekt verdeutlichten Effizienz sehr zufrieden. Das Design war gleich zu Beginn perfekt und erfüllte alle Anforderungen der neuen I-size-Regulierung. Dank einer signifikanten Reduzierung der physikalischen Tests und Prototypen war es außerdem sehr kosteneffizient. Ohne einen CAE-getriebenen Designprozess wäre dieses Projekt nicht machbar gewesen. Altair Hyperworks und insbesondere Hypermesh, Optistruct, Radioss und Hyperview sind die Standardwerkzeuge, die wir in unserer täglichen Arbeit verwenden, um Kunden wie Dorel Juvenile zu unterstützen, bessere und innovativere Produkte innerhalb kürzester Zeit zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen“, sagte Harold van Aken.

Gute Ergebnisse und weitere Vorteile

Die Aufgaben beim Re-Design waren weitgehend von Materialsubstitutionen bestimmt, bei denen Kunststoff statt Stahl verwendet wird. Diese Änderungen, in Kombination mit der höheren Anzahl definierter Lastfälle (insgesamt 12), erforderte eine deutlich höhere Anzahl an Simulationsläufen, um Erkenntnisse zu Wanddicken und Rippenpositionen zu erhalten. Ohne CAE-Werkzeuge hätten die Ingenieure den „Trial and Error“-Ansatz verwenden müssen. Diese Methode hätte jedoch mit aller Wahrscheinlichkeit nicht ausgereicht, um alle erforderlichen Lastfälle abzudecken oder zumindest nicht ohne einen erheblichen Anstieg der zeitlichen und finanziellen Aufwände.

Daher waren die bei der Simulation gewonnenen Erkenntnisse der Schlüssel bei der Entwicklung des Sitzes. „Neben dem erfolgreich verbesserten CAE-Prozess mit Altair Hyperworks konnten wir auch die Hard- und Softwareinvestitionen durch die Anwendung von PBS Professional reduzieren. Dies half uns, die Nutzung der vorhandenen Hard- und Software in unserem HPC-Cluster zu maximieren“, fügte van Aken hinzu. (mz)

* Leoni Meijer MSc ist Communication Specialist bei Code Product Solutions.

* Dipl. Ing. Mirko Bromberger ist Director Marketing bei der Altair Engineering GmbH.

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