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Simulation

Wie Simulation die Entwicklungszeit von Autos deutlich verringert

| Autor/ Redakteur: Stefan Graf* / Juliana Pfeiffer

Die Grenzen der computergestützten Simulation sind noch längst nicht ausgereizt. Den Stand der Technik sowie eine Vielzahl interessanter Anwendungen hat Simulationsspezialist Altair vom 16. bis 17. Oktober 2018 auf der Altair Technology Conference in Paris gezeigt. Im Fokus stand die Automobilindustrie mit anschaulichen Anwendungsbeispielen.

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Altair präsentierte auf seiner Anwendertagung Simulationstechnologie für eine schnellere Produktentwicklung.
Altair präsentierte auf seiner Anwendertagung Simulationstechnologie für eine schnellere Produktentwicklung.
(Bild: Altair )

Heute geht kaum ein Auto in die Produktion, ohne dass es mit Simulationen auf Herz und Nieren geprüft wurde. Dies ist auch notwendig, denn die Produktzyklen werden immer kürzer: Die Entwicklung eines neuen Autos dauert drei bis vier Jahre. Anschließend wird der Wagen dann sechs bis acht Jahre lang verkauft. Auch wenn diese Zahlen von Hersteller zu Hersteller etwas variieren, sind heute doch alle Autobauer einem wesentlich stärkeren Zeitdruck ausgesetzt als noch vor einigen Jahren. Die derzeit vieldiskutierte Digitalisierung von Prozessen hat in der Automobilindustrie längst Einzug gehalten. Neue Modelle entstehen mit CAD-Software, die Datenverwaltung und die Zusammenarbeit von Teams werden mit PLM-Software unterstützt und Prototypen von Teilen, Baugruppen oder kompletten Karossen werden immer seltener als reale Modelle gefertigt.

Vom 16. bis 17. Oktober 2018 zeigte Altair auf seiner globalen Anwenderkonferenz in Paris, wie die Produktentwicklung durch den Einsatz von Simulation, Künstlicher Intelligenz und additive Fertigung beschleunigt werden kann. Der Einladung des amerikanischen Software-Herstellers mit Fokus auf CAD- und Simulationssoftware folgten rund 800 Teilnehmer, die den mehr als 140 Präsentationen interessiert folgten. Industrie-Seminare und fachlich tiefgehende Sessions befassten sich mit Themen wie Design für die Fertigung, Lead Time Reduction, Fatigue-Simulation, Design für additive Fertigung, E-Mobility, Systemsimulation und IoT (Internet of Things).

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Struktursimulationen kommen ohne Geometrievereinfachung, Bereinigung und Vernetzung aus

Die Konferenz begann mit einem Paukenschlag: James R. Scapa, Gründer, Chairman und CEO von Altair gab die Übernahme des Wettbewerbers Simsolid bekannt. Dessen Simulationstechnologie wird weltweit von Konstrukteuren, Design- und Berechnungsingenieuren genutzt. Die Software arbeitet auf Grundlage detailgetreuer CAD Baugruppen und bietet schnelle, genaue und robuste Struktursimulationen, die ohne Geometrievereinfachung, Bereinigung und Vernetzung auskommen. Die zugrundeliegende Technologie basiert weitestgehend auf der Arbeit von Dr. Victor Apanovitch, einem früheren Professor an der Belarussische Nationale Technische Universität und Mitbegründer von Simsolid. Die Erweiterung des Altair-Portfolios soll seinen Kunden insbesondere im Simulationsbereich große Vorteile bringen.

Virtuelle Produktentwicklung statt Crashtests

An der Simulationstechnik kommt heute kein Automobilhersteller mehr vorbei. Kosten- und Zeitdruck in der Produktentwicklung setzen hier klare Prioritäten. Besonders deutlich wird das am Beispiel des Fahrzeug-Crashtests, einem Klassiker unter den Simulationsanwendungen. Früher wurden Dutzende Autos sprichwörtlich an die Wand gefahren, um das Verhalten von Karosserie oder Rückhaltesystemen zu beurteilen. Dann kamen realistische Simulationen ins Spiel, die das reale Verhalten von Bauteilen mit der Methode der Finiten Elemente mit hoher Prognosegüte virtuell nachmodellierten. Im Verlauf der letzten Jahre wurden diese Berechnungen so genau, dass manche Automobilhersteller mittlerweile in der Entwicklungsphase weitgehend auf physische Crashtests verzichten. Kleine Änderungen an der Karosserie, die man früher mühsam nachbauen musste, erfordern heute in der virtuellen Produktentwicklung nur wenige Mausklicks und ein paar Stunden Rechenzeit, um die Variation des Crashverhaltens zu berechnen.

Jaguar I-Pace: Entwicklungszeit von 18 Monaten auf 12 Wochen verringert

Ein Vortrag von Mark White, dem ehemaligen Entwicklungsleiter für Karosserie bei Jaguar Land Rover, zeigte, welches Potenzial moderne Werkzeuge bieten. Er stellte die Entwicklung des Jaguar I-Pace, dem ersten Elektrofahrzeug des britischen Traditionsherstellers in den Fokus seines Vortrags. Das gesamte Fahrzeug wurde neu entwickelt und auf die Anforderungen an ein reines Elektrofahrzeug abgestimmt. Einige Fakten hierzu ließen aufhorchen: Die Karosserie konnte durch den Einsatz von 94 Prozent Aluminiumbauteilen auf ein Gewicht von lediglich 258 Kilogramm gebracht werden. Dennoch ist die gesamte Karosserie so stabil, dass sogar ein großflächiges Panoramadach verbaut werden konnte. Bei den Crashsimulationen wurde zudem besonders auf den Bauraum der Batterie geachtet, um auch hier maximale Sicherheit zu gewährleisten.

Eine Million Stunden mit Simulationstests statt zahlreiche reale Prototypen

Anhand der B-Säule, welche sowohl für die Stabilität als auch Crash-Sicherheit des I-Pace eine große Rolle spielt, zeigte White detailliert, welche Vorteile die Simulation im Wechselspiel mit der CAD-Software bietet: Designvarianten können innerhalb kürzester Zeit getestet, bewertet und mit neuen Parametern verändert werden. Auch für die Aerodynamik wurden zahlreiche Strömungssimulationstests durchgeführt, bis ein CW-Wert von 029 erreicht wurde. Laut White „ein sehr akzeptabler Wert“ für einen SUV.

Der Einsatz von Altair-Werkzeugen hat laut White viele Vorteile gebracht: Die Entwicklungszeit konnte von 18 Monaten auf 12 Wochen verringert werden; die realen Fahrtests konnten um 750.000 Meilen reduziert und dadurch mehr als 300 Tonnen CO2 eingespart werden. Auf zahlreiche reale Prototypen wurde verzichtet und dadurch auch die Kosten reduziert. Um dies zu erreichen wurden mehr als eine Million Stunden mit Simulationstests verbracht und rund 1.000 Jahre Rechenleistung auf Hochgeschwindigkeitsrechnern (HPC) in Anspruch genommen.

C123 Methodik gibt in der Konstruktionsphase frühzeitig Rückmeldungen

Einen weiteren interessanten Entwicklungsansatz stellte Andrea Merulla, Leiter Concept and Innovation bei Ferrari, vor: die C123 Methodik. Altair hat diesen Entwicklungsansatz konzipiert, der dem Ingenieur in der Konstruktionsphase schon sehr frühzeitig Rückmeldungen gibt und Rückschlüsse ermöglicht. C123 ist eine sehr flexible Herangehensweise, bei der die Optimierung auf Basis drei unterschiedlicher Abstraktionsstufen des BIW (Body in White) durchgeführt wird. In der Abstraktionsstufe C1 wird das Fahrzeug als Bauraummodell aufgebaut, um Lastpfade zu ermitteln (grundsätzliche Fragen zu Bauräumen, Fahrzeugarchitektur etc.). In der Stufe C2 wird das Model aus speziellen Balkenelementen sowie dazu gekoppelten Querschnittsinformationen benutzt, um schnelle Variantenoptimierungen durchzuführen. Die Abstraktionsstufe C3 entspricht grundsätzlich der klassischen Arbeitsweise mit Schalenmodellen. Um die Schalenmodelle schnell simulieren und optimieren zu können, wird jedoch oft auf Details verzichtet, die für grundsätzliche Konstruktionsentscheidungen nicht benötigt werden. Bei der simulationsgetriebenen Entwicklung geht es darum, zu unterstützen, die richtige Richtung aufzuzeigen, Konstruktionsalternativen zu bewerten sowie das bestmögliche Gleichgewicht zwischen allen Entwicklungsattributen zu finden. Ferrari nutzt diese Vorgehensweise, um Variantenkonstellationen zu testen.

Save the Date: Anwendertreff MaschinenkonstruktionAngesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung von Maschinen und Anlagen stellt sich die Frage, ob die klassischen Technologien im Zeitalter von Industrie 4.0 noch zeitgemäß sind und wo sich neue Maschinenkonzepte anbieten. Antworten und Entscheidungshilfen für die Auswahl der jeweils am besten geeigneten Methoden und Komponenten bietet der Anwendertreff Maschinenkonstruktion am 21 Mai 2019.
Mehr Informationen: Anwendertreff Maschinenkonstruktion

Einige der Vorträge beschäftigten sich auch mit dem Thema „Digitale Zwillinge“. Dieses Konzept ist innerhalb einer PLM-Strategie mit vielen Produktvarianten geeignet, um auf Knopfdruck alle Daten eines Produktes zur Verfügung zu haben: von der Idee, Konstruktion bis hin zur Fertigung. Der digitale Zwilling ist das exakte virtuelle Modell eines Produkts oder einer Produktionsanlage. Er bildet die Entwicklung über den gesamten Lebenszyklus ab und ermöglicht die Vorhersage des Verhaltens, die Optimierung der Performance und das Umsetzen von Erkenntnissen aus früheren Design- und Produktionserfahrungen. (jup)

* Fachjournalist in Darmstadt

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