CAE Wie Simulation Bobfahren sicher und schnell macht

| Aktualisiert am 08.03.2022Von Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Mit rund 150 Stundenkilometern rauschen Bobfahrer den glatten und kurvenreichen Eiskanal hinunter. Wahnsinnig spannend anzusehen, gleichzeitig natürlich aber auch gefährlich. Simulations- und Optimierungstechnologie kann hier helfen.

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Rasend schnell geht es den Eiskanal hinunter: Bobfahren birgt hohe Gefahren für die Sportler. Mithilfe virtueller Tests und Optimierungsmöglichkeiten durch Simulation kann das Risiko reduziert werden.
Rasend schnell geht es den Eiskanal hinunter: Bobfahren birgt hohe Gefahren für die Sportler. Mithilfe virtueller Tests und Optimierungsmöglichkeiten durch Simulation kann das Risiko reduziert werden.
(Bild: © kapona - stock.adobe.com.jpeg)

Die olympischen Wintersportarten gehören sicher zu den gefährlichsten Sportarten, man denke zum Beispiel an die Schlittensportarten Skeleton, Rennrodeln und Bobfahren. Beim Skeleton und beim Rennrodeln haben die Athleten nichts als einen Helm, der sie vor der Strecke schützt. Beim Bobfahren bietet der Schlitten den Athleten zwar zusätzlichen Schutz, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass sie eine glatte, kurvenreiche und unbarmherzige Strecke hinunterrasen.

Die Bobfahrer erreichen wahnsinnig hohe Geschwindigkeiten: 2019 erreichte der schnellste Bob bei den BMW IBSF Weltmeisterschaften in Whistler, British Columbia, eine Geschwindigkeit von 156 km/h (97 mph), gefahren von einem 4-Mann-Schlittenteam. Natürlich trainieren diese Athleten hart, sowohl körperlich als auch mental, um sich auf die Rennen vorzubereiten und die Ziellinie ohne ernsthafte Kollisionen zu erreichen. Wie bei vielen Sportarten können Sekundenbruchteile den Unterschied zwischen Sieg und Niederlage ausmachen.

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Simulation verschiedener Design erhöht die Sicherheit der Fahrer

Zu Beginn des Rennens müssen die Fahrer eine möglichst hohe Anfangsgeschwindigkeit erreichen und ihr Gewicht strategisch auf die schweren Schlitten verteilen, um die Kurven erfolgreich zu meistern. Eine falsche Bewegung kann zu einer Kollision führen, die sich verheerend auf die Zeit und die Sicherheit des Rennfahrers auswirken kann. Mit virtueller Testtechnologie und einem simulationsgesteuerten Designansatz können Designteams diese Art von Leistungsszenarien für hochgradig nichtlineare Probleme unter dynamischer Belastung simulieren, wie ein Team des Simulationsexperten Altair es nun tat.

Mithilfe des simulationsgestützten Designs können Bob-Teams und Bob-Konstrukteure verschiedene Designs und Szenarien untersuchen, ohne dass iterative Wiederholungen und physische Tests erforderlich sind. In Sportarten wie dem Bobsport, in denen die Athleten durch ein schlechtes Design oder eine Fehlfunktion der Ausrüstung erhebliche Verletzungen erleiden können, ermöglicht Simulation die gleichzeitige Untersuchung mehrerer Designszenarien.

Der Zugang zu dieser Art von Simulations- und Optimierungstechnologie ermöglicht es Ingenieuren, Konstruktionsfehler vorherzusagen und zu verhindern, bevor Produkte auf den Markt kommen – vom Sport bis zur Automobilindustrie.

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Erstellung und Validierung des Modells

Mit Altair Inspire wurde zunächst die Topologieoptimierung eines Bobs unter Verwendung von Bewegungslasten durchgeführt. Das Team beschloss, diese Arbeit weiter zu untersuchen, um nicht nur zu lernen, wie man das Design eines Bobs optimiert, sondern auch, wie man ihn im Falle eines schweren Sturzes so sicher wie möglich macht. Mit Altair Radioss wurden zwei Bobstürze und die Art der Verletzungsrisiken simuliert, die bei diesem Hochgeschwindigkeitssport auftreten können: ein Seitenwandaufprall und ein Stufenaufprall:

  • Beim Seitenwandaufprall wurde untersucht, was passieren würde, wenn die Athleten die Kontrolle über den Schlitten verlieren und gegen den Rand der Bahn prallen würden.
  • Beim Stufenaufprall (Hindernis mit geringer Höhe) wurde das Vorhandensein eines unerwarteten Hindernisses auf der Bahn beobachtet, z. B. Trümmer oder unebenes Eis auf der Bahn von einem früheren Lauf.
Als vielseitige und umfassende Umgebung für die genaue Vorhersage von Aufprallreaktionen ermöglicht Radioss Ingenieuren, entscheidende Erkenntnisse über die Herstellbarkeit komplexer Designs zu gewinnen.

Ablauf der Simulation

  • Zunächst wurde das ursprüngliche Inspire-Modell in Altair Hyperworks importiert. Das Team vernetzte dieses dann mit dem Altair Hypermesh-Werkzeug.
  • Als Nächstes wurden in Hyperworks Kontakte erstellt und diese in bestimmten Bereichen definiert, um die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Teilen des Schlittens zu behandeln. Bei der Auswahl der Designmaterialien wurde davon ausgegangen, dass nur die Schlittenhülle und der Verstärkungsrahmen verformbar sind. Diese Annahme wurde getroffen, da bei einem Unfall nur diese Teile wesentlich zum Schutz der Insassen beitragen würden. Das Team modellierte den Rahmen aus Aluminium und die Abdeckung aus Verbundwerkstoff.
  • Das Pre-Simulationsmodell wurde mit dem Hyperworks-Positionierungsmodul erstellt, die Modelle wurden mit Radioss ausgeführt. Die Dummys wurden den realen Insassen entsprechend im Bob positioniert und die Kontaktflächen definiert.
  • Szenario 1: Seitenwandaufprall Bei der Betrachtung der Aufprallkinematik wurde festgestellt, dass alle Insassen nach dem Seitenwandaufprall im Bob verblieben, obwohl der hintere Insasse am stärksten betroffen war. Mit Altair-Hypergraph wurden die Verletzungskriterien für den Dummy berechnet, die verwendeten Kriterien und Schwellenwerte wurden durch Sicherheitsvorschriften im Bereich der Automobilunfälle definiert.
    Im hinteren Teil des Schlittens prallten die Dummys mit größerer Wucht gegen die Wand und erlitten aufgrund der höheren Trägheitslast einen schweren Aufprall. Die Dummys hinter dem Piloten erlitten alle Kopfverletzungen, und das mit Hypergraph berechnete Kopfverletzungskriterium (HIC) und der a3ms-Wert (höchste Amplitude der Beschleunigung, die mindestens 3 Millisekunden anhält) zeigten, dass die Verletzungen den empfohlenen Grenzwert überschritten. Aus diesem Grund tragen alle Rennfahrer einen Kopfschutz.
  • Das Verletzungskriterium zeigte auch, dass die beiden Dummys im hinteren Teil des Schlittens ebenfalls Brustverletzungen erlitten. Da Bobuniformen leicht, flexibel und hauteng sind, bieten sie keinen Schutz für den Körper. Mithilfe von Hilfsmitteln wie Radioss können Ausrüstungsdesigner erkennen, an welchen Stellen Ausrüstungsgegenstände wie Bobschlitten verstärkt werden müssen, um wichtige Körperbereiche zu schützen.
  • Szenario 2: Stufenaufprall In diesem Unfallszenario ist der Bob auf ein kurzes Hindernis auf der Bahn gestoßen. Vor Beginn der Rennen glätten die Mitarbeiter der Bahn diese Eisflächen, um solche Stürze zu vermeiden. Es ist notwendig, die Bahnen für Hochgeschwindigkeitsrennen zu glätten, denn schon eine winzige Unebenheit von weniger als 2 Zentimetern kann die Athleten gefährden.
    Hyperview-Simulationen zeigten, dass bei dieser Art von Unfall ein erhebliches Risiko besteht, dass das Fahrzeug herausgeschleudert wird. Je nach Schwere des Unfalls und je nachdem, wo sich der Insasse auf der Strecke befindet, könnte dieser Unfall tödlich sein.
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