Körperschallbasierte Crasherkennung stellt spezifische Anforderungen an die Simulation

Von Euler-Bernoulli zu Bresse-Timoshenko

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In der körperschallbasierten Crasherkennung wird der entstehende Körperschall gemessen und diese Information zur Unterscheidung verschiedener Crashszenarien genutzt. Im Zuge der Weiterentwicklung dieser Technologie wird auch an spezifischen Simu-lationsverfahren geforscht, die die Körperschallausbreitung innerhalb des Fahrzeuges beschreiben. Hierbei führt der hohe Frequenzbereich bis über 20 kHz zu speziellen Anforderungen an die Simulationsverfahren.

Obwohl die aktiven Sicherheits- und Fahrerassistenzsysteme immer mehr Funktionalität bieten, eine immer größere Verbreitung erfahren, und die Zahl der Todesopfer beständig sinkt, wird im Bereich der passiven Sicherheit konstant an der Verbesserung der bestehenden Systeme geforscht. Ziel ist es, die Anzahl der verletzten und getöteten Verkehrsteilnehmer weiter zu verringern und das mobile Leben noch sicherer zu machen. Eine Technologie, die die Leistungsfähigkeit moderner Airbagsysteme weiter verbessert, ist die körperschallbasierte Crasherkennung. Hierzu werden mit einem speziellen Körperschallsensor die während des Crashs aus der Deformation entstehenden Schwingungen bis zu einer Frequenz von 20 kHz gemessen. Dieses so gewonnene Signal wird genutzt, um die Unterscheidung verschiedener Unfallszenarien noch sicherer und schneller zu machen. Vor allem im Bereich der Frontkollisionen ist hiermit eine Verbesserung der Zündzeiten für die einzelnen Airbags erreichbar.

Da die Messung nicht innerhalb der Deforma- tionszone an der Fahrzeugfront stattfindet, sondern im Bereich der Fahrgastzelle, sind keine zusätzlichen Sensoren in der Fahrzeugfront nötig, der entstehende Körperschall wird als Strukturschwingung über die Fahrzeugkarosserie geleitet. Hierbei wird das in der Fahrzeugfront entstandene Körperschallsignal durch die Schwingungseigenschaften der Fahrzeugstruktur verändert. Diese Veränderung lässt sich messtechnisch sehr gut erfassen. Um die Beeinflussung vorhersagen und virtuelle Parameterstudien durchzuführen zu können, ist es wichtig, geeignete Simulationsverfahren für die Körperschallausbreitung zu haben.
Die dominierenden Biegewelle abbilden
Adäquate Verfahren müssen die Ausbreitung der dominierenden Biegewelle innerhalb der Fahrzeugstruktur bis zu einer Frequenz von 20 kHz abbilden können. Zudem muss das transiente Zeitverhalten der zu erwartenden Sensorsignale simuliert werden, da die Crashdiskriminierung auf Basis der Zeitsignale des Sensors erfolgt. Eine reine Darstellung des Körperschallssignals im Frequenzbereich ist nicht ausreichend. Fahrzeugkarosserien sind trotz ihrer komplexen Geometrie aus einfachen Grundelementen wie Blechen und dünnwandigen Balken aufgebaut. Dieser Umstand legt es nahe, auch bei der Simulation mit entsprechend einfachen mathematischen Beschreibungen zu arbeiten. Gerade die Finite Elemente Methode (FEM) bietet sich hier an, da zum einen diese Elemente in jeder kommerziellen Softwarelösung zu finden sind, und da die FEM, nicht nur im Bereich Crash, das Standardsimulationsverfahren in der Automobilentwicklung ist.
Hierbei zeigt sich, dass durch den hohen zu betrachtenden Frequenzbereich sehr schnell der Gültigkeitsbereich der klassischen Balkentheorie nach Euler-Bernoulli überschritten wird. Hier bietet die komplexere Balkentheorie nach Bresse-Timoshenko einen größeren Gültigkeitsbereich. Diese Balkentheorie ist auch in jeder FEM-Software hinterlegt, so dass mit ihr ohne Probleme gearbeitet werden kann.
Doch bei der Betrachtung von dünnwandigen Rohren, wie sie typisch für die Crashmanagement- und Längsträgerstruktur heutiger Fahrzeuge sind, ergeben sich auch mit diesen Balkenelementen Schwierigkeiten. Durch die Abbildung als Balken wird das Bauteil auf eine Dimension reduziert, wie sich aber leicht zeigen lässt, schwingt ein dünnwandiger Balken nicht nur wie ein Balken, sondern die Seitenwände, aus denen er besteht, schwingen wie dünne Bleche mit der typischen großen Anzahl an Eigenfrequenzen. Somit ergibt sich ein wesentlich komplexeres Schwingungsverhalten und somit auch komplexere Übertragungseigenschaften, die mit dem Körperschall inter- agieren und das Signal verändern.
Dadurch kann eine exakte Simulation nur mit einem entsprechenden, aus Schalenelementen bestehenden, dreidimensionalen Modell erfolgen. Analog hierzu müssen die Baugruppen, die aus Blechen bestehen, auch fein genug vernetzt werden. Dies führt, gerade bei der Abbildung von Biegewellen, zu sehr kleinen Elementlängen und entsprechend kleinen Zeitschritten, was den nötigen Simulationsaufwand stark erhöht. Die aktuell verwendeten Simulationsmodelle aus der Crashentwicklung reichen derzeit noch nicht aus, so dass gesonderte Simulationen nötig sind. Auch wenn die Rechnerleistung und Speicherkapazität beständig steigt, so stellen fehlende Materialparameter und Fügestelleneigenschaften in diesem hohen Frequenzbereich eine zusätzliche Hürde dar. So ergibt sich als Konsequenz, dass die Finite Elemente Methode zwar theoretisch sehr gut geeignet ist, der hohe Aufwand aber in der Praxis die Anwendbarkeit stark schmälert. Trotzdem lassen sich grundlegende Untersuchungen, vor allem an kleineren Bauteilen, hiermit sehr exakt durchführen, lediglich die Wahl der benötigten Parameter stellt eine Unsicherheit dar. Dies gilt aber nur, wenn die Geometrie als vollständiges Schalenmodell abgebildet wird, da eindimensionale Balkenelemente das hochfrequente Verhalten der typischen dünnwandigen Rohre im Fahrzeug keinesfalls auch nur annähernd wiedergeben können.
Entwicklung spezifischer Simulationsverfahren
Der oben erwähnte Umstand führt aber zu hohen Rechenzeiten, die für ein gesamtes Fahrzeug innerhalb des normalen Entwicklungsprozesses nicht akzeptabel sind. Deshalb ist es aktueller Gegenstand der Forschung, ein spezifisches Simulationsverfahren zu entwickeln, welches mit deutlich geringerem Aufwand ähnlich gute Ergebnisse liefert. Hierbei lässt es sich ausnutzen, dass für die Anwendung der körperschallbasierten Crasherkennung nicht das Schwingungsverhalten des gesamten Fahrzeuges vorhergesagt werden muss. Es reicht aus, den Einfluss der wichtigsten Ausbreitungspfade auf das Körperschallsignal und das daraus resultierende Sensorsignal zu simulieren. Ziel ist es somit, ein einfacheres parametriertes Verfahren zu entwickeln, das die grundlegenden Effekte abbildet. Die Parametergewinnung kann dabei hybrid aus bestehenden Strukturen, durch Messung und aus grundlegenden Berechnungen gewonnen werden. Die Validierung erfolgt dann durch entsprechende Messungen, womit die Parametergewinnung und Simulationsgüte für künftige Berechnungen entsprechend verbessert werden kann. Dieser Umstand, dass das Sensorsignal ausreicht, und nicht das gesamte strukturdynamische Verhalten benötigt wird, wird es erlauben, weniger rechenintensive Simulationsmethoden als die FEM für diese Technologie zur Verfügung zu stellen.
IAF;
Telefon: 0841 9348-0;

Die Organisation Nafems

Nafems ist eine internationale und unabhängige Organisation zu Förderung der sicheren und zuverlässigen Anwendung von Simulationsmethoden wie Finite-Element-Berechnungen (FEM), Strömungs- (CFD) und Mehrkörpersimulation (MKS) usw. Sie fördert den Einsatz der Simulation, vertritt Anwenderinteressen aus der Industrie und bindet Hochschulen und Forschungsinstitute sowie Systemanbieter in ihre Tätigkeit ein. Nafems hat weltweit über 900 Mitgliedsunternehmen und -institutionen.
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