Erfahrungswerte zur Darstellung einer effektiven Crash- und Insassensimulation

Wenn der Dummy spricht

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Der zunehmende Kosten- und Zeitdruck bei der Automobilentwicklung führt dazu, dass immer weniger reale Prototypen gebaut und getestet werden können. Durch die Einführung von virtuellen Prototypen kann das Verhalten eines Automobils beim Aufprall virtuell am Rechner getestet werden noch bevor ein reales Versuchsfahrzeug existiert. Dadurch können die Kosten für den Bau des Versuchsfahrzeugs eingespart und gleichzeitig auch kürzere Design-Zyklen realisiert werden.

Erste Erfahrungen mit der Crashsimulation gehen auf die frühen 80er Jahre zurück. Die den Crash- und Insassensimulationen zu Grunde liegenden Verfahren basieren auf einem expliziten Zeitschrittschema, das ursprünglich am Lawrence Livermore National Laboratory in USA entwickelt wurde. Zu dieser Zeit konnten solche komplexen Berechnungen nur auf Großrechnern mit Vektorpozessoren durchgeführt werden. Das Verfahren ist für hochnichtlineare dynamische Berechnungen besonders gut geeignet. Für die ersten Crashsimulationen konnten nur sehr grob vernetzte Strukturen mit etwa 5000 Elementen verwendet werden und die Rechenzeiten für diese Modelle lagen bei mehreren Tagen. Heutzutage werden schon zwei bis drei Millionen Elemente pro Modell verwendet. Parallelrechner sind das Mittel der Wahl in der Automobilindustrie. Die hierzu nötigen parallelen Algorithmen wurden in der Crashsimulation bereits Anfang der 90er Jahre entwickelt. Mehrprozessor- und Mehrkern-Architekturen können mit expliziten Verfahren sehr effektiv genutzt werden. Auf Grund des hohen Detaillierungsgrads der virtuellen Modelle müssen alle neu entwickelten Berechnungsmöglichkeiten auch im Hinblick auf die Performance auf massiv parallelen Systemen abgestimmt und optimiert werden. Für die Simulationssoftware „LS-Dyna“ wurde deshalb seit Beginn der 90er Jahre eine spezielle MPP-Version entwickelt, die sehr gute Speedups (Beschleunigungsfaktoren) auf parallelen Rechnerarchitekturen auch bei hohen Prozessorzahlen (bis zu 1000 Prozessoren) erzielt. Auf den industriell bevorzugt genutzten Cluster-Architekturen sind Rechenläufe mit 64 Rechenkernen heutzutage Standard.

Integration der Crashsimulation in den Konstruktions- und Entwicklungsprozess
Zur Erstellung eines virtuellen Fahrzeugmodells für die Crashsimulation ist eine Vielzahl von heterogenen Daten nötig. Zunächst muss aus dem aktuellen Entwicklungsstand die Geometrie der einzelnen Bauteile geladen und für die Berechnung aufbereitet und vernetzt werden. Für die Crashsimulationen sind spezielle Anforderungen an die Netzqualität und -feinheit erforderlich, die mittels geeigneter Preprozessoren eingehalten und geprüft werden können. Viele zunächst manuelle Tätigkeiten werden heute im so genannten Batch-meshing-Verfahren automatisch durchgeführt. Außer der Bauteilgeometrie selbst muss auch die Lage der Schweiß- oder Klebestellen genau bekannt sein, mit der die einzelnen Bauteile zusammengefügt werden. Darüber hinaus muss die genaue Position der Sensoren und die exakte Sitzposition des Crashdummies bestimmt und alle Airbags im gefalteten Zustand eingebaut werden. Die hierzu nötigen Daten müssen zunächst erfasst und dann im Datenmodell gesichert werden. Hierzu werden spezielle Systeme zum Simulations-Daten-Management benutzt. Da in immer kürzer werdender Zeit immer mehr virtuelle Prototypen erstellt werden, müssen die entstandenen Ergebnisdaten auch effektiv in diesem System verwaltet und ausgewertet werden.
Einfluss der Produktionsverfahren
Zur Gewichtsreduktion werden im Fahrzeugbau hochfeste Stähle, Aluminium und vermehrt auch faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Um das Verhalten bis zum Materialversagen genau simulieren zu können, muss auch der Einfluss des Herstellprozesses in der Simula- tion mit berücksichtigt werden, da unterschiedliche Blechdicken, die beim Tiefziehprozess entstanden sind, oder die Faserrichtung im Kunststoff die Materialeigenschaften wesentlich verändern.
Elementfreie numerische Methoden
Die theoretische Basis der FEM-Verfahren basiert auf Forschungsarbeiten der 60er Jahre. Aktuell werden grundlegend neue numerische Berechnungsverfahren untersucht, deren Ansätze nur Netzknoten mit entsprechenden Ansatzfunktionen enthalten. Von diesen so genannten elementfreien Methoden (EFG = Element Free Galerkin) verspricht man sich eine höhere Flexibilität insbesondere bei hohen Deformationsgraden. In LS-Dyna sind solche Verfahren bereits seit Jahren implementiert und in der Praxis beispielsweise in den Bereichen Modellierung von Crashbarrieren, virtuelle Menschmodellierung und im Bereich der Simula- tion von Schmiedeprozessen erfolgreich eingesetzt worden. Für den Bereich Fluid-Struktur-Kopplung, der beispielsweise bei der Airbag-Entfaltung eine wesentliche Rolle spielt, ist ebenfalls ein spezielles Verfahren im Einsatz, das sowohl die typische Beschreibung von Strömungsvorgängen (Euler-Koordinaten) als auch die typische Beschreibung von strukturmechanischen Verformungen (Lagrange-Koordinaten) enthält und flexibel miteinander verknüpft. Da beide Beschreibungsarten in beliebiger Art verwendet werden können, wird das Verfahren „Arbitrary Lagrange Eulerian“ (ALE) genannt.
Berücksichtigung von Werkstoff und Parameter-Sensitivitäten
Die Crashsimulation hat sich in den vergangenen Jahren als ein zuverlässiges Werkzeug zur Optimierung und Auslegung von Fahrzeugstrukturen und passiven Sicherheitssystemen entwickelt. Auch im Bereich Fußgängerschutz kann auf virtuelle Prototypen nicht verzichtet werden. Zukünftig werden vermehrt detailliertere Modelle sowohl für die Struktur als auch für die eingesetzten Dummies eingesetzt. Softwareseitig sind die Themen Integration verschiedener Berechnungsdisziplinen, Modellierung des Werkstoffverhaltens, Automatisierung und Optimierung des gesamten CAE-Workflows und Bestimmung der Parameter-Sensitivitäten und Bauteiloptimierung Schlüsselkriterien, denen sich die Softwarehersteller widmen müssen. Genau diese Themen sind derzeit ein Schwerpunkt bei den Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten der Firma Dynamore. In unterschiedlichen Forschungsprojekten mit Projektpartnern aus dem Automobilbau werden diese Themen adressiert und zusammen mit dem amerikanischen Softwarehersteller LSTC realisiert und schließlich in die Crashsimulationssoftware LS-Dyna integriert.
Dynamore;
Telefon: 07 11/ 45 96 00-0;

Lösungsmöglichkeiten mit LS-Dyna
LS-Dyna ist eines der anerkannten Finite-Elemente-Softwaresysteme zur rechnerischen Simulation von hochgradig nichtlinearen, dynamischen Vorgängen wie
  • Crash, Insassensicherheit
  • Metallumformung, Aufprall- und Falltests
  • Durchschlagprobleme
  • Fluid-Struktur-Interaktion
  • Thermisch-mechanische Kopplung
  • Explosion
Das Programm wird häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. LS-Dyna enthält LS-Prepost, ein Pre- und Postprozessor, mit dem Eingabedecks modifiziert und die berechneten Ergebnisse visualisiert werden können.
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