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Simulation im Fahrzeugbau

Umformprozesse im virtuellen Crashtest

Automobilhersteller müssen immer mehr Fahrzeugmodelle in kürzerer Zeit bei insgesamt reduzierten Kosten zur Marktreife bringen. Dies ist ohne Ausbau der virtuellen Produktentwicklung und Simulation in den meisten Unternehmen nicht denkbar. Ein wichtiges Erfolgskriterium, um weitgehend auf Hardware-Prototypen verzichten zu können, ist die Prognosegüte der Simulationssoftware.

Bild: Dassault Systèmes

Einige Automobilhersteller verlassen sich mittlerweile während der Entwicklung von neuen Fahrzeugen und Fahrzeug-Varianten weitestgehend auf Simulationen und verzichten auf Hardware-Prototypen. Die Unternehmen nutzen darüber hinaus auch in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses keine physikalischen Testergebnisse mehr, um Finite-Elemente-Crash-Modelle zu kalibrieren. Der erste physikalische Crashtest wird mit einem Vorserienmodell durchgeführt, das bereits mit den Serienwerkzeugen gefertigt wurde. Das stellt eine enorme Ersparnis für den Entwicklungsprozess dar, denn einzeln handgefertigte Prototypenmodelle können durchaus Kosten im Millionenbereich verursachen.

Benchmark-Kriterien für die Simulationssoftware

Die Kehrseite der Medaille: Konstruktionsänderungen werden zu diesem späten Zeitpunkt sehr teuer. Der finanzielle Erfolg einer starken Digitalisierung des Entwicklungsprozesses steht und fällt daher mit der Prognosegüte der Simulationssoftware. Ein namhafter Autohersteller hat diese grundlegenden Änderungen im Entwicklungsprozess vollzogen und führte aus diesem Grund im Jahr 2009 einen Benchmark für Software zur Kollisionssimulation durch. Bei der Auswahl der ‚Crash Solver‘-Programme ging es darum, die Qualität der Simulationsergebnisse detailliert durch den direkten Vergleich mit Hardware-Prototypen zu evaluieren.

Das Rennen machte schließlich Abaqus/Explicit, ein Produkt aus der Simulia-Produktlinie von Dassault Systèmes. Das Unternehmen bietet Software unter anderem für Konstruktion, Simulation und Zusammenarbeit im Rahmen von Product Lifecycle Management-Systemen (PLM) an. Die Simulationslösung überzeugte vor allem im Hinblick auf Prognosegüte und Zuverlässigkeit, insbesondere bei der Abbildung der Materialeigenschaften in Hinblick auf Schädigung und Versagen sowie die Umsetzung der Schweißpunkte in die Simulation. Darüber hinaus bewertete der Autohersteller auch das starke Engagement des Software-Anbieters für die Methodenentwicklung sehr positiv. Das Software-System gestattet genaue Vorhersagen gerade der für das Unternehmen wichtigen lokalen Materialeigenschaften bei allen relevanten Modellen – von den Komponenten bis zum Komplettfahrzeug. Für den Premiumhersteller bedeutet dies neben Einsparungen in Millionenhöhe für die Prototypen-Erstellung auch eine Verkürzung der Entwicklungszeit um mehrere Monate.

Unterschiedliche Disziplinen mit einer Lösung abdecken

Ein anderes erfolgskritisches Entscheidungskriterium für den Einsatz von Simulationslösungen ist die Durchgängigkeit des einzusetzenden Software-Systems. Dazu zählt unter anderem der Einsatz einer vollwertigen Lösung, die nichtlineare Solver sowohl für implizite als auch explizite Analysen ‚aus einem Guss‘ anbietet. Implizite Simulationsverfahren umfassen neben allgemeiner Festigkeit, Eigenfrequenzanalysen sowie der Simulation von Geräusch, Vibration und Rauheit (Noise, Vibration, Harshness, NVH) auch thermische Analysen. Der explizite Solver wird hingegen hauptsächlich bei der Umformung und bei Crashanalysen eingesetzt. So lässt sich zum Beispiel die Blechumformung in dem Löser Abaqus/Explicit und die Berechnung der Rückfederung über die Software Abaqus/Standard rechnen, wobei eine überlappende Element- und Materialbibliothek zwischen beiden Programmen genutzt werden kann.

Das Gesamtsystem rechnet dadurch mit dem gleichen Netz, denselben Element- und Materialformulierungen ohne jeden Genauigkeitsverlust weiter. Das bezüglich der Umformung und Rückfederung berechnete Blech kann dann virtuell verbaut werden, anschließend lässt sich mit der Baugruppe eine Vibrationsanalyse durchführen. Durch die Vernetzung innerhalb des Systems bringt das virtuelle Blech sein ‚Materialgedächtnis‘ aus der Umformung in die neue Vibrationsanalyse mit ein. Dazu zählen unter anderem Eigenspannungen, Schalendickenänderungen und plastische Dehnungen. Dieses durchgehende Datenhaltung erleichtert den Simulationsvorgang und erhöht die Prognosegüte deutlich.

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