Genauer als die Realität: Simulationen und technische Berechnungen erobern von der Entwicklung bis zur Absicherung immer weitere Produktbereiche

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1 ARRK P+Z Beitrag ARRK P+Z Engineering Beitrag Genauer als die Realität: Simulationen und technische Berechnungen erobern von der Entwicklung bis zur Absicherung immer weitere Produktbereiche Spezieller Solver kombiniert Wärmeleitung und Strömung zur Simulation von thermischen Effekten und Fahrgastkomfort Das berühmte Trial-and-Error-Prinzip hat ausgedient. Für die moderne Unternehmenswelt mit ihrem globalen Wettbewerb sowie den immer höheren Sicherheits- und Qualitätsansprüchen werden Versuche zunehmend unrentabel zumal mit heutiger Hard- und Software inzwischen Simulationen möglich sind, die den erreichbaren Erkenntnisgewinn aus praktischen Tests oft übersteigen. Ein Beispiel dafür ist der Solver THESEUS-FE der zur exakten Berechnung von Klimatisierungs- und Thermomanagementfragen Strahlung-, Wärmeleitungs- und Strömungsprozesse kombiniert betrachtet. Wie entscheidend solche komplexen Wechselwirkungen für ein realistisches Ergebnis sind, weiß der Entwickler des Tools aus Erfahrung: Die P+Z Engineering GmbH zählt zu den führenden Anbietern von Berechnungs- und Simulationsleistungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, in der selbst Produktabnahmen bereits teilweise auf Basis von technischen Berechnungen und Simulationen erfolgen. Und das computer-aided engineering (CAE) könnte der chaotischen Wirklichkeit in Zukunft sogar noch näher kommen: durch die Einbeziehung statistischer Varianzen. So neuartig er auch erscheinen mag, der Gedanke der technischen Berechnung ist alt. Schon Ende des 19. Jahrhunderts gab es Vorläuferideen zur Finite-Elemente-Methode (FEM) und bereits in den 1950er Jahren ließen sich mit der Verbreitung des Computers solche Verfahren erstmals wirtschaftlich nutzen. Absicht war auch damals, den Entwicklungsprozess zu verkürzen, indem Fehlkonstruktionen frühzeitig erkannt wurden. Zeit- und Kostendruck waren und sind die Entwicklungstreiber in dieser Branche, ermöglicht wird diese Entwicklung aber erst durch die Hardware, erklärt Dr. Thomas Schneider, Leiter des Bereichs Technische Berechnung & Simulation bei P+Z Engineering. Versuche decken nötige Konstruktionsänderungen erst sehr spät auf Mit steigender Computerleistung, immer schnelleren Datenträgern und Kommunikationsschnittstellen und nicht zuletzt

2 den professionellen Grafikkarten, die der Spielemarkt hervorbringt, können heute Modelle erstellt und berechnet werden, die kaum noch vereinfacht werden müssen. Auch die Zahl der Freiheitsgrade wächst. Mit der virtuellen Schuhschachtel, die bei den ersten Crash-Simulationen verwendet wurde, hat das nichts mehr zu tun, so Schneider. Die Grenze des Machbaren gibt nicht mehr die Komplexität des Modells vor, sondern die von der Industrie geforderten immer kürzeren Antwortzeiten. Doch auch hier werden mit neuen Strategien, etwa der Parallelisierung von Berechnungsprozessen, die Möglichkeiten ständig erweitert, wie der Experte bestätigt: Was vor drei Jahren noch mehrere Monate gedauert hätte und zu teuer gewesen wäre, geht heute mit vernünftigen Kosten innerhalb von zwei Wochen. Denn der größte Vorteil der Simulation sind ihre schnellen Ergebnisse. Statt wie früher aus einem Entwurf erst einen Prototypen zu fertigen, der dann getestet und in den meisten Fällen überarbeitet werden muss, kann ein Modell virtuell auf eine Vielzahl von Parametern hin untersucht und verbessert werden, ohne jede Variante eigens fertigen zu müssen. Dieses Front Loading kann in der Entwicklung enorme Kosten sparen, da jede Veränderung am Produkt umso teurer wird, je weiter das Projekt bereits gediehen ist. Hinzu kommt, dass jeder Bestandteil des Modells zu jedem Zeitpunkt der Simulation vollständig überwacht werden kann. Wo beispielsweise bei einem Crashtest einige Kameras und Sensoren niemals alle Aspekte des Vorgangs erfassen können, ist dies im Computer möglich. Details lassen sich herausheben oder störende Karosserieteile ausblenden. Die Qualität der so gewonnenen Erkenntnisse übersteigt unter Umständen jene eines echten Versuchs bei Weitem. Zwar gibt es auch Fragestellungen, für die Simulationen allein noch nicht ausreichen, etwa in den Bereichen Lebensdauer, Akustik oder Aerodynamik, schränkt Schneider ein. Insgesamt jedoch hat sich dank numerischer Berechnungsverfahren die Zahl der Versuche, die zur Entwicklung eines Produktes nötig sind, trotz stetig steigender Anforderungen in den letzten zehn Jahren deutlich reduziert. Gekoppelte Betrachtung von Strömungsverhalten, Abstrahlung und Wärmeleitung Dies liegt unter anderem auch daran, dass die Softwareentwickler ständig neue Aufgabenfelder abseits der typischen mechanischen Betrachtungen erschließen, so zum Beispiel die Fahrzeugklimatisierung, die als Teil des Fahrgastkomforts kaufentscheidend sein kann, oder das Thermomanagement von Bauteilen. Versuche mit Prototypen kämen hier zu spät, um eventuell nötige Veränderungen noch kosteneffizient vornehmen zu können. Als Alternative hat P+Z Engineering daher die Software THESEUS-FE entwickelt, die inzwischen weltweit eingesetzt wird. Diese betrachtet Strömungseffekte und Wärmeleitung an einem Bauteil als gekoppeltes System. Nur so können sinnvolle Werte errechnet werden, da sich unter anderem Luft- und Bauteiltemperatur

3 gegenseitig beeinflussen, erklärt der Simulationsexperte. Der Solver umfasst daher verschiedenste Arten von thermischen Übertragungsvorgängen, einschließlich Konvektion und Strahlung, und beinhaltet sogar ein Tool zur Vorhersage der Sonneneinstrahlung je nach Region, Jahreszeit und Winkel sowie ein komplexes Menschenmodell. Dieses Manikin reagiert lebensecht, von der Atmung über den Blutkreislauf bis hin zum Schwitzen und Frösteln. Damit kann die Reaktion des Insassen auf das Klima in der Fahrgastzelle selbst unter Betrachtung verschiedener Bekleidung detailgenau errechnet werden. Ebenso kann das Programm beispielsweise die Hitzeentwicklung eines Motors bei unterschiedlichen Drehzahlen untersuchen. Simulationsingenieure nutzen Praxiswissen zur Softwareentwicklung Um diese komplexen Aussagen treffen zu können, mussten allerdings zwei physikalische Effekte in Korrelation gebracht werden, die sich mathematisch nur schlecht miteinander verbinden lassen. Üblicherweise ist ein Solver nur auf eine konkrete Aufgabenstellung ausgelegt und bedient sich der entsprechenden Mathematik. THESEUS-FE arbeitet dagegen mit zwei unterschiedlichen Gleichungssystemen für Wärmeleitung und Strömung, die, während sie gelöst werden, miteinander kommunizieren und Werte austauschen. Bei dieser ungewöhnlichen Konzeption kam das Know-how der P+Z Ingenieure zum Tragen, die die Software nicht nur entwickeln und pflegen, sondern auch praktisch anwenden und daher wissen, wie sich Veränderungen der Parameter in beiden Feldern auswirken. Die notwendigen Basisdaten für die Modelle stammen entweder aus der unternehmenseigenen Datenbank oder direkt aus Messungen. Letzteres hat den Vorteil, dass es meist aktuelle Messwerte sind, die in ihren Varianzen näher an der Realität sind als Normwerte. Die Ergebnisse werden vom Programm nicht nur für die Betrachtung der thermischen Verhältnisse übersichtlich aufbereitet, sondern können auch in Standardformaten ausgegeben und von anderen Systemen übernommen werden, um Synergien zu nutzen. So übergibt beispielsweise eine Ableitung der Software, THESEUS-FE Oven, die zur Untersuchung der Temperaturverteilung bei der Trocknung tauchlackierter Karosserieteiler in einem Trocknungsofen geschrieben wurde, ihre Berechungsdaten zur weiteren Verzugssimulation an Abaqus. Gute Zukunftsaussichten für Simulation und technische Berechnung Eine derartige Betrachtung größerer Zusammenhänge ist generell ein entscheidender Faktor zur Effizienzsteigerung in der Produktentwicklung, weshalb die Simulationsingenieure heute bereits vermehrt mit Kollegen anderer Fachrichtungen wie Konstruktion und Versuch in so genannten Centers of Competence zusammenarbeiten. Ein Bereich, der hier in Zukunft hinzukommen könnte, ist die Statistik: Heutige Simulationen bilden mit ihren vorgegebenen Parametern nur

4 einen engen Bereich der Realität ab. Statistische Angaben könnten hier helfen, auch Varianzen etwa in der Materialfestigkeit bei der Berechnung berücksichtigen zu können. Dieses Thema wird immer brisanter, je mehr man in der Optimierung an die Grenzen geht, meint Schneider. Je enger die Toleranzen für Schwankungen werden, umso mehr Daten und Systemfaktoren werden künftig mit einbezogen werden müssen. Plakativ gesprochen: Man kann zwar die Reichweite eines Elektroautos berechnen, aber sobald die Klimaanlage läuft oder es bergauf geht, ändert sich dieser Wert drastisch. Ein anderes Zukunftsfeld für die technische Berechnung und Simulation, das heute schon teilweise zum Alltagsgeschäft gehört, ist die virtuelle Absicherung. Vor allem im Flugzeugbau werden Zulassungen bereits oft auf Basis von Simulationen erteilt. Inzwischen zeigen sich auch in der Automobilindustrie und im Schienenfahrzeugbau erste Tendenzen in diese Richtung, auch wenn die tatsächliche Abnahme hier noch von Versuchen abhängt. Züge und Busse werden aber bereits vor den vorgeschriebenen Crash- und Überrolltests virtuell begutachtet, um die teure, reale Prüfung gleich beim ersten Mal gut zu bestehen. Ähnliches geschieht auch beim FMVSS 201-Test zum Insassenkopfaufschlag in Autos. Da hier nicht vorab bekannt ist, wo der Prüfkörper auftreffen soll, werden möglichst viele Eventualitäten am Modell durchgerechnet. Mittlerweile haben die Industrien und Behörden viel mehr Vertrauen in die Simulation als noch vor einigen Jahren, erklärt der Experte. Während früher die Testergebnisse als unumstößlich galten, wird heute auch im Versuchsaufbau nach Fehlern gesucht, wenn der Test zu sehr von der Berechnung abweicht. Ein speziell für das komplexe Feld von Thermomanagement und Klimatisierung entwickelter Solver ist THESEUS-FE von P+Z Engineering. Die Software verbindet dazu die Berechnung von Strömungs- und Wärmeleitungseffekten.

5 Eine Besonderheit des Programms ist sein komplexes Manikin zur Simulation des Fahrgastkomforts. Das Menschenmodell berücksichtigt verschiedenste körperliche Wechselwirkungen mit der Umwelt bis hin zum Blutkreislauf. Immer leistungsfähigere Rechner erlauben heute immer komplexere Simulationen, etwa zur Betrachtung der Dynamik, der Strömungsmechanik oder thermischer Vorgänge. Dies ermöglicht Produktoptimierungen bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium.