Engineering 14.10.2005, 18:40 Uhr

Beschleunigte Simulation erlaubt steigende Komplexität  

VDI nachrichten, Sankt Augustin, 14. 10. 05 – Detailtreue in der Simulation zieht oft die Berechnungsdauer in die Länge. Mit verbesserten Verfahren lassen sich nun Leistungssteigerungen erreichen. Ergebnisse dazu lieferte ein Forschungsprojekt, welches die Simulations- und Optimierungsmethoden in der Automobilindustrie beleuchtete.

Zwar gehören virtuelle Prototypen im Automobilbau längst zum Alltag der Entwicklungsingenieure, gleichzeitig steigen aber auch die Anforderungen an die Software zur Simulation und Produktoptimierung. Im Forschungsprojekt „auto>opt“ haben Institute, Automobilhersteller und Softwarehäuser deshalb über drei Jahre zusammengearbeitet, um neue Simulations- und Optimierungsmethoden zu erforschen und zur Anwendung zu bringen. Mit den digitalen Werkzeugen sollen Entwicklungszeiten für Produkte künftig deutlich verkürzt werden.

Konkret können durch die Forschungsergebnisse Bauteil- und Werkzeugoptimierungen oder Crashtests schneller und damit kostengünstiger durchgeführt werden. Die drastische Senkung der Rechenzeiten ermöglicht gleichzeitig eine höhere Komplexität und Qualität der virtuellen Modelle.

Vor allem in der Konzeptentwicklungsphase sehen die beteiligten Fahrzeughersteller Audi, BMW, DaimlerChrysler, Karmann und Porsche dadurch Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung. Hier werden Bauteile und -gruppen auf bestimmte Eigenschaften hin optimiert und erstmals auf Sicherheitsmerkmale und Crashverhalten untersucht. Eine aussagekräftige virtuelle Auslegung des Fahrzeugkonzepts in dieser frühen Phase ist angesichts des Termindrucks bei Serienentwicklungen von elementarer Bedeutung.

Ziel von auto>opt war es, Kompetenzen aus Industrie und Forschung über alle Disziplinen hinweg zu vereinen und gemeinsam nach innovativen Anwendungen zu forschen. „Dieses Ziel haben wir erreicht“, zeigt sich Projektleiterin Annette Kuhlmann vom Fraunhofer-Institut für Algorithmen und wissenschaftliches Rechnen (SCAI) zufrieden. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 7 Mio. € gefördert.

Gemeinsam mit den Softwarehäusern Intes, Inpor und SFE sowie den Forschungsinstituten Fraunhofer-SCAI und Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) machten die Autohersteller wesentliche Fortschritte u.a. bei interaktiver Crashsimulation, Datenkompression, Datamining für FE-Modelle sowie Bauteil- und Werkzeugoptimierung.

Mit den neuen Softwarewerkzeugen erlangen die Fahrzeugentwickler künftig frühe und schnelle Erkenntnis über Konstruktionsprobleme und eventuelle Sicherheitsrisiken, können mehrere Varianten in kürzerer Zeit durchrechnen und Kosten so besser abschätzen.

So weit die Theorie, doch war ein grundlegendes Dilemma zu lösen: Auf der einen Seite sollen numerische Modelle mehr Aussagekraft bekommen, andererseits kostet diese Komplexität wertvolle Rechenzeit und läuft damit dem Streben nach Effizienz entgegen. „Darüber haben wir viel diskutiert“, sagt Kuhlmann. „Wir sind uns einig geworden, dass Simulationsergebnisse über Nacht vorliegen müssen.“ Das bedeutet oft, dass die entwickelte Software und die Komplexität der Modelle teilweise hinter ihren Möglichkeiten zurückbleiben müssen. Das Augenmerk liegt damit auf der Entwicklung schneller, leistungsfähiger Algorithmen und Rechner. „Bei jeder Verkürzung der aktuellen Berechnungszeit werden die Modelle wieder genauso viel komplexer gestaltet, dass sie über Nacht gelöst werden können. Damit hat man an Information und Qualität gewonnen, nicht aber an Zeit“, so die Projektleiterin.

Ein Problem ist weiterhin, dass man im Bereich der Optimierung selbst mit den neuen und schnelleren Methoden nur wenige Varianten parallel rechnen kann. Hier greifen die Konstrukteure auf vereinfachte Modelle oder Ersatzmodelle auf Parameterbasis zurück. Ein Beispiel für die Leistungsfähigkeit der neuen Methoden ist MLDR (Multi-Level Dynamic Reduction). Dieser Algorithmus zur Optimierung von Frequenzlagen und zur Dynamikberechnung erlaubt Fahrzeugmodelle mit bis zu 5 Mio. Freiheitsgraden – beim Projektstart 2002 waren es durchschnittlich 1,8 Mio. Die Rechenzeit konnte um den Faktor 30 reduziert werden. „Für die nächste Modellgeneration 2006 kann mit etwa 20 Mio. Freiheitsgraden gerechnet werden“, prophezeit Rolf Fischer vom Stuttgarter Softwareentwickler Intes.

Nur teilweise gelöst ist die Verhaltenssimulation moderner Werkstoffe wie Mehrphasenstahl, Aluminium oder Verbundstoffe beim Umformen im Werkzeug. „Für bewährte Karosseriestähle steht uns ausreichend Datenmaterial zur Verfügung. Für hoch- und höchstfeste Stähle müssen noch Langzeiterfahrungen gesammelt werden, da deren Anteil im Karosseriebau steigt“, sagt Hans-Georg Schröder von DaimlerChrysler Nutzfahrzeuge.

Im Projekt wurde erstmals eine Methode entwickelt, die eine Vorausberechnung der nötigen Kompensation von Werkzeugen bei der Umformung von rückfedernden Bauteilen ermöglicht. Auch Annette Kuhlmann sieht beim Thema Materialmodelle für Hochleistungsmaterialen noch Forschungsbedarf: „Der Gültigkeitsbereich der Modellparameter ist im Vergleich zu herkömmlichen Materialien sehr klein. Das Verhalten wird oft noch nicht zufrieden stellend modelliert.“ Die Chancen stehen gut, dass deshalb das Thema Materialmodelle zum Schwerpunkt eines Nachfolgeprojekts wird. MARTIN BORRÉ/CIU

Von Martin BorrÉ/Martin Ciupek
Von Martin BorrÉ/Martin Ciupek

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