Simulation in der Praxis

Toyota nutzt CFD zur Leistungssteigerung

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Die japanische Motor Sports Unit Development Division (MSUDD) der Toyota Motor Corporation beschäftigt sich mit der Forschung und Entwicklung von Rennfahrzeugen für verschiedene Motorsport-Kategorien wie dem 24-Stunden-Rennen von Le Mans. Dabei setzt die Abteilung auf die Siemens PLM Software Star-CD und Star-CCM+. Die Ergebnisse finden sich später auch in Serienfahrzeugen auf regulären Straßen wieder.

Julie Dörr, freie Journalistin für Siemens, München

In der Welt der Rennfahrzeuge sind die Entwicklungen für das kommende Jahr, die Vorbereitungen für das nächste Rennen und die Arbeit an häufig wechselnden Vorschriften von großer Bedeutung. Simulation leistet hier einen wichtigen Beitrag, indem Durchlaufzeiten deutlich reduziert werden. Für die Manager von MSUDD, Yuichiro Kato und Teppei Hojo, sind Computer Aided Engineering (CAE) und Computational Fluid Dynamics (CFD) dabei entscheidende Faktoren: Eine Division ist verantwortlich für die Leistung und Sicherheit von Motorenkomponenten und Hybridbauteilen. Dabei wird CAE/CFD für die Antriebskonstruktion und Entwicklung neuer analytischer Technologien genutzt. Die andere Abteilung ist in erster Linie für die Entwicklung der Fahrzeugaerodynamik verantwortlich. Auch hier kommt verstärkt die Strömungstechnik (CFD) zum Einsatz. Insgesamt besteht das CAE/CFD-Team innerhalb der MSUDD aus 15 Personen. Mit der begrenzten Zeit und den Ressourcen, die einer so kleinen Gruppe zur Verfügung stehen, ist eine technische Standardisierung unabdingbar. Diese muss es dem Team ermöglichen, Analysearbeiten und koordinierte Nachbearbeitungspläne (Entwürfe, Testläufe und Windkanäle) zu priorisieren und sicherzustellen, dass die Ergebnisse konsistent und wiederholbar sind.

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„Rennwagen sind keine Serienfahrzeuge, die über mehrere Jahre hinweg gefertigt werden“, sagt Kato. „Auch wenn der Rennwagen genauso aussieht wie der aus dem Vorjahr, können seine inneren Komponenten völlig anders sein. Das Team entwickelt jedes Jahr ein komplett neues Fahrzeug. Bei so kurzen Durchlaufzeiten müssen Zuverlässigkeit und Leistung der einzelnen Elemente, einschließlich der äußeren aerodynamischen Form und des Motors, gewährleistet sein, bevor das Fahrzeug überhaupt gebaut wird. Bisher haben wir immer diverse Prototypen für verschiedene Tests entwickelt. Jetzt sind wir in der Lage, gründliche analytische Bewertungen durchzuführen, bevor ein einziges Teil hergestellt wird.“

Das aerodynamische Design der Le-Mans-Fahrzeuge wird gemeinsam mit der in Deutschland ansässigen Toyota Motorsport GmbH (TMG) entwickelt. Als Toyota an der Formel 1 teilnahm, standen gerade Windkanäle im Mittelpunkt der Entwicklung: CFD spielte dabei eine tragende Rolle. Heute ist CFD entscheidend für das Testen der Konzepte und nimmt einen wichtigen Platz bei der Visualisierung von Fahrzeugkonzepten ein.

Zudem hat CFD nicht nur eine Schlüsselfunktion bei der Verringerung von Durchlaufzeiten, sondern seit einigen Jahren auch in der eigentlichen Bauteilentwicklung. „Wir haben keine Zeit, ein echtes Auto in einen Windkanal zu stellen und zwischen den Rennen Anpassungen vorzunehmen. Zudem sind die Möglichkeiten für Tests auf der Strecke begrenzt. Wir müssen also Prozesse aufsetzen, mit denen wir Elemente aus der Simulation schnell auf das Fahrzeug übertragen können. Dadurch werden die Ergebnisse aus der Simulation immer wichtiger“, erklärt Hojo. „Wir treffen Entscheidungen bereits auf Grundlage erster Tests. Sie müssen Auskunft über die Wettbewerbsfähigkeit des Autos für eine komplette Saison geben.“

Technologien, die es Ingenieuren ermöglichen, die Leistung von Fahrzeugen und Komponenten in der Konstruktions- und Entwicklungsphase vor der Fertigung zu verbessern, sind heute von besonderer Bedeutung. Der Einsatz von CAE/CFD-Technologien wie beispielsweise STar-CCM+ ist angesichts der hohen Anforderungen der Industrie an die Entwicklungszeiten und -prozesse unerlässlich.

Rennfahrzeug-Technologien im Serienfahrzeug

Für die Automobilhersteller besteht der Hauptzweck der Teilnahme am Motorsport neben der Werbung darin, schnell fortschrittliche Technologien zu entwickeln. Für die Unternehmen ist es also wichtig, technologisches Know-how aus der Rennwagenentwicklung intern einzusetzen, zu teilen und dieses Wissen auf die Entwicklung von Serienfahrzeugen anwenden zu können. MSUDD entwickelt also fortschrittliche Technologien durch die Erkenntnisse aus Rennsportaktivitäten und die Unterstützung bei der Anwendung dieser Technologien auf Serienfahrzeuge. Die Abteilung trifft sich dafür regelmäßig mit den Produktionsabteilungen des Unternehmens, um Wissen auszutauschen und zu diskutieren.

Dabei werden nicht nur Informationen über analytische, sondern auch über aerodynamische Technologien, wie etwa Kontrollmethoden, ausgetauscht. Die aerodynamische Entwicklung im Motorsport erfolgt in einem extrem hohen Tempo. Das beste Ergebnis muss in kürzester Zeit erreicht werden. Beispielsweise dauert eine CFD-Konstruktionsschleife für ein einzelnes Entwicklungsteil etwa zwei Wochen.

Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Durchführung möglichst vieler Berechnungen, um festzustellen, ob eine gute Lösung zugrunde liegt. Deshalb kommen hauptsächlich stationäre Berechnungen zum Einsatz, auch wenn die tatsächliche Fahrzeug-Aerodynamik unvorhersehbare Phänomene und komplexe Abläufe beinhaltet. Es kommt darauf an einen Mittelweg zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit der Berechnungen zu finden. „Es ist extrem schwierig, die gegensätzlichen Parameter der Rechengenauigkeit und der verkürzten Durchlaufzeiten auszugleichen“, so Hojo. „Weil wir ständig unter dem Druck stehen, die Leistung durch die Entwicklung neuer Teile zu verbessern, ist dies einer der anspruchsvollsten Bereiche. Einen effizienten Weg zu finden, unregelmäßige Berechnungen während eines zweiwöchigen Entwicklungszyklus zu verwenden, würde helfen, dieses Problem zu lösen.“

„Bei Motoren standen wir in der Vergangenheit vor Herausforderungen hinsichtlich der Rechengenauigkeit“, ergänzt Kato. „Dank Star-CCM+ ist es möglich geworden, eine starke Korrelation zwischen Simulationen und realen Tests zu erreichen. Heute haben die meisten Verbesserungen, die wir umgesetzt haben, den gewünschten Effekt auf der Strecke.“

Virtuelle Ergebnisse vs. Realität

In Le Mans gibt es im Gegensatz zur Formel 1 keine Vorschriften, die die Zeit für Windkanaltests einschränken. Endgültige Entscheidungen werden anhand der Ergebnisse getroffen, aber CFD ist für eine effiziente Entwicklung – auch bei begrenzten finanziellen Mitteln und wenig Zeit – unerlässlich. Die Hauptprobleme, die bei der Konstruktion und Entwicklung von Strömungssimulationen auftreten, sind Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Deshalb ist es wichtig, den Simulationsansatz durch Überprüfung der Korrelation zwischen Windkanalversuchen und CFD-Ergebnissen zu validieren. Dazu werden aerodynamische Werte wie Abtriebs-, Widerstands- und Flächendruckverteilungen mit experimentellen Ergebnissen wie Kraftmessungen und Geschwindigkeitsmessung durch Teilchenverfolgung (PIV) verglichen. Da Windkanäle tatsächliche Bedingungen simulieren, werden ihre Ergebnisse als Standard behandelt, um die in der Analyse verwendeten Netzauflösungen und Berechnungseinstellungen anzupassen. Dazu werden in der Regel sehr viele Berechnungsfälle ausgewertet.

Die Aerodynamik-Abteilung der MSUDD führt zudem Messungen an realen Fahrzeugen durch. Werte wie zum Beispiel der Abtrie können während der Fahrt auf der Strecke ermittelt werden und liefern Vergleichsdaten zu Windkanal- und CFD-Ergebnissen. Bei Inkonsistenzen werden Möglichkeiten zur Verbesserung von Windkanalversuchen und CFD-Modellen untersucht. Es gibt Fälle, in denen eine Verbesserung der CFD-Genauigkeit in sehr kurzer Zeit (rechtzeitig für die nächsten Windkanaltests und -rennen) umgesetzt werden muss, während andere Verbesserungen mittel- bis langfristig möglich sind. Das Motoren-Unit führt vor dem Einbau in ein echtes Fahrzeug strenge Prüfungen durch und installiert nur die effektivsten Teile auf Grundlage der ermittelten Ergebnisse. Deshalb gibt es während eines Rennens nur wenige Erhebungen. Unregelmäßigkeiten, die eine sofortige Reaktion erfordern oder mittelfristig abgewartet werden können, lassen sich schnell erkennen.

Alle Informationen in einem Skript gespeichert

„Seitdem die meisten Funktionen von Star-CCM+ und Star-CD über Skripte verwaltet werden können, ist es nicht notwendig, graphische Benutzeroberflächen (GUI) zu öffnen. Es ist extrem einfach, Vorgänge festzulegen, die in Batch-Prozessen ausgeführt werden können, was eine nahtlose Anbindung an Optimierungs- und andere externe Softwareanwendungen ermöglicht. Die Anwendungen von Siemens PLM Software sind in Verbindung mit den verschiedenen Anwendungen aus vor- und nachgelagerten Prozessen einfach zu bedienen. Zudem ist es praktisch, dass bei Bedarf jeder das Skript lesen kann“, so Kato. Auch in der aerodynamischen Abteilung werden alle Abläufe durch ein Skript ausgeführt – einschließlich die Erstellung analytischer Modelle. Die Anwender schätzen die Benutzung des Skripts als einfach ein – vorausgesetzt, man ist damit vertraut. Durch der Einführung der CD-adapco Produkte und Dienstleistungen von Siemens PLM Software ist die Datenverarbeitung nun völlig automatisiert. Denn bei der Durchführung von Analysen ist es wichtig, dass alle Prozesse standardisiert sind, damit keine zufälligen Schwankungen in den Ergebnissen von einzelnen Ingenieuren entstehen. So wird sichergestellt, dass keine Unterschiede bei der Ergebnisanalyse auftreten – auch dann nicht, wenn neue Teammitglieder eingearbeitet werden. Zu dem vollautomatisierten Skript wird eine interne Schulung angeboten, die sichergestellt, dass alle Mitarbeiter das Skript verstehen.

Ebenfalls schätzt MSUDD den technischen Support:„Das Team liefert stets schnelle Antworten“, so Kato. „Wenn man an einen ausländischen Dienstleister denkt, könnte man erwarten, dass das japanische Büro bloß als Relaiskontakt behandelt wird und der Inhalt des Skripts vielleicht in einem Rohformat geschickt wird, ohne vollständig verstanden worden zu sein. Tatsächlich entspricht das Serviceniveau aber dem eines inländischen Anbieters.“ Hojo ergänzt: „Die analytischen Methoden sind vollständig etabliert. Wir hoffen, dass wir gemeinsam an den technologischen Neuerungen arbeiten können, um die Entwicklungsschleife zu beschleunigen.“ tm

www.siemens.de

Auch bei Renault kommt Siemens PLM Software zum Einsatz. Im Video erklären die Experten die Vorteile:
hier.pro/omS4c


„Rennwagen sind keine Serienfahrzeuge, die über mehrere Jahre gefertigt werden. Auch wenn sie genauso aussehen wie im Vorjahr, können die inneren Komponenten völlig anders sein. Das Team entwickelt jedes Jahr ein komplett neues Fahrzeug. Bei so kurzen Durchlaufzeiten müssen Zuverlässigkeit und Leistung der einzelnen Elemente gewährleistet sein, bevor das Fahrzeug überhaupt gebaut wird.“

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