Skip to main content
main-content

11.12.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Wie sich Rechenzeit bei Crashsimulationen einsparen lässt

Autor:
Christiane Brünglinghaus

CAE-Ingenieure von Tecosim haben im Rahmen eines Forschungsprojekts untersucht, wie Rechenzeit bei Crashsimulationen gesenkt werden kann. Das Ergebnis: Die Berechnungsvariante mit spannungsbasiertem Abbruchfilter erscheint am effektivsten.

Weniger Rechenzeit bei Crashsimulationen - das war Ziel eines Forschungsprojektes beim CAE-Spezialisten Tecosim. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert. Am Standort München haben die Ingenieure anhand mehrerer Methoden und Modelle Einsparpotenziale herausgearbeitet. Das Ergebnis: Um bis zu 25 Prozent kann die Rechenzeit reduziert werden.

Die numerische Simulation verschiedener Crashszenarien ist bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge ein wichtiges Instrument. Hochdynamische und teilweise nichtlineare Prozesse werden mit speziellen Finite-Element(FE)- Programmen dargestellt. Obwohl heutige Fahrzeugmodelle für die Crashsimulation schon circa drei Millionen Elemente beinhalten, besteht der Wunsch nach einer weiteren Detaillierung. Denn viele bisher nur grob abgebildete Bauteile haben einen erheblichen Einfluss auf das Crashverhalten.

Höhere Detaillierung, höhere Rechenzeiten

Eine größere Detaillierung erhöht aber auch die erforderliche Rechenleistung. So rechnen aktuelle Modelle je nach Code und Hardware zwischen 24 und 48 Stunden bei einem Zeitschritt von einer Mikrosekunde. Um beispielsweise Gussbauteile sauber abzubilden, müsste der Zeitschritt auf ein Zehntel bis ein Fünftel reduziert werden. Dies kann die Rechenzeit wiederum bis zum Zehnfachen erhöhen. Daher bestand das Ziel des Forschungsprojektes in der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Rechenzeit für Crashberechnungen bei steigender Modellgenauigkeit gesenkt oder zumindest konstant gehalten werden kann. Die durchgeführte Entwicklung zielte auf explizite Verfahren ab, die bei der sogenannten Kurzzeitmechanik (Crashtest, Falltest) und bei extrem nichtlinearen Effekten (zum Beispiel Kontakt, starke Dehnungen und Verschiebungen) angewandt werden.

Vom Rigid-Body zu vollwertigen Bauteilen

In einem ersten Schritt untersuchten die Tecosim-Ingenieure einfache Ersatzmodelle. Dabei nahmen sie Teilbereiche des Modells zunächst als starr (Rigid-Body) an. Diese Ersatzmodelle benötigten erheblich weniger Rechenleistung, da keine interne Deformation berechnet werden musste, so die Ingenieure. Nachdem die Bereiche das Crashhindernis erreicht hatten, wurden sie durch Entfernung des Rigid-Bodys wieder verformbar geschaltet.

In der zweiten Projekthälfte entwickelte das Team dann Kriterien, um während einer Crashberechnung automatisch von Rigid-Bodys auf vollwertige Bauteilmodelle umzuschalten, sobald diese belastet werden und für den Crash eine Rolle spielen. Die erste Idee sah vor, die Rechnung mit einer Abaqus-Restart-Analyse jeweils neu zu beginnen. Bei diesem automatischen Abbruch und Neustart lassen sich in Abaqus die Eigenschaften eines Elements jedoch nicht verändern. Deshalb entwickelte Tecosim eine externe Routine, um den Wechsel von rigid zu deformierbar über eine Filterfunktion und ein dahinterliegendes Skript zu steuern. Dabei werden die Rigid- Bodys aufgelöst, nachdem im angrenzenden deformierbaren Bereich die Spannungen einen bestimmten Wert überschreiten.

Rechenzeitreduzierung an einem Teilfahrzeugmodell

Um die Rechenzeitersparnis an einem Teilfahrzeugmodell (Aufprall mit 56 km/h gegen eine starre Barriere) zu untersuchen, teilten die CAE-Ingenieure es in mehrere Rigid-Bereiche auf. Diese wurden im ersten Schritt nach einer vorgegebenen Zeit, später nach oben beschriebenem Abbruchkriterium aufgehoben. Um einen Überblick über die Gesamtrechenzeit und eine sinnvolle Definition der Rigid-Bodys zu erhalten, rechneten die CAE-Experten zuerst das Referenzmodell. Dann bestimmte das Team für eine erste Potenzialbewertung feste Rechenzeiten anhand der Referenzrechnung. Die Rechnung wurde zu den entsprechenden Zeitpunkten gestoppt, um jeweils den nächsten Rigid-Body zu entfernen. Anschließend wurden die Berechnungen mithilfe eines Abbruchkriteriums unterbrochen, der nächste Rigid-Body entfernt und automatisch neu gestartet.

Die Ingenieure testeten verschiedene Varianten aus auftretenden Spannungen, um die Rigid-Bodys ohne Verlust der Rechengenauigkeit auf „verformbar“ umzuschalten. Die Rechenzeit sei dabei um knapp 19 Prozent verkürzt worden. Die schnellste Variante verwendete Tecosim dann für die Simulation eines Gesamtfahrzeuges.

Reduzierung der Rechenzeit an einem Gesamtfahrzeug

Die Berechnung des Gesamtfahrzeuges führten die Simulations-Spezialisten mit der Abaqus-Version 6.12.3 auf acht CPU (Central Processing Unit) mit zwölf Gigabyte Speicher durch. Das Modell hatte circa 520.000 Knoten und rund 2,8 Millionen Freiheitsgrade. Abschließend stellte Tecosim fest, dass der Rigid-Body-Ansatz auch für größere Modelle eine vielversprechende Rechenzeitreduktion ermöglicht.

Das Modell wurde, wie bei Fahrzeugherstellern üblich, in verschiedene Includes unterteilt und für Front-, Heck- und Seitencrashuntersuchungen vorbereitet. Jedes Include war zu Beginn ein separater Rigid-Body, der nach Erreichen des Filterkriteriums entfernt wurde. Dabei haben sich laut den Ingenieuren Berechnungseinsparungen von bis zu zehn Prozent im Vergleich zu plastisch elastisch dargestellten Gesamtfahrzeugen gezeigt. Bemerkenswert sei die Tatsache, dass die Rohkarosserie als ein Include von vorn nach hinten durch das gesamte Fahrzeug reicht und in einem Schritt deformierbar wurde. Mit einer geschickteren Rigid-Body-Aufteilung, unabhängig von den Includes ließen sich Ersparnisse wie im Teilmodell erreichen.

Variante mit Abbruchfilter überzeugt als schnellste Berechnungslösung

Fazit am Ende des Förderprojekts: Die Berechnungsvariante mit spannungsbasiertem Abbruchfilter scheint am effektivsten. Sie soll Einsparungen der Rechenzeit eines Teilfahrzeugmodells von circa 20 Prozent sowie eines Gesamtfahrzeuges von etwa zehn Prozent ermöglichen. Damit wurde ein großes Teilziel zur anvisierten Rechenzeitersparnis von 30 bis 40 Prozent erreicht. Durch zusätzliche Verfeinerungen lasse sich weiteres Potenzial erschließen. Durch einer geschickten Rigid-Body-Aufteilung und eines nochmals optimierten Abbruchkriteriums könnten Rechenzeitersparnisse von circa 25 Prozent bei physikalisch realistischen Ergebnissen erreicht werden, erklären die Ingenieure.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

01.02.2014 | Entwicklung | Ausgabe 2/2014

Automatische Erzeugung von FEM-Mittelflächen aus CAD-Daten

Premium Partner

BranchenIndex Online

Die B2B-Firmensuche für Industrie und Wirtschaft: Kostenfrei in Firmenprofilen nach Lieferanten, Herstellern, Dienstleistern und Händlern recherchieren.

Zur B2B-Firmensuche

Whitepaper

- ANZEIGE -

Und alles läuft glatt: der variable Federtilger von BorgWarner

Der variable Federtilger von BorgWarner (VSA Variable Spring Absorber) ist in der Lage, Drehschwingungen unterschiedlicher Pegel im laufenden Betrieb effizient zu absorbieren. Dadurch ermöglicht das innovative System extremes „Downspeeding“ und Zylinderabschaltung ebenso wie „Downsizing“ in einem bislang unerreichten Maß. Während es Fahrkomfort und Kraftstoffeffizienz steigert, reduziert es gleichzeitig die Emissionen, indem der VSA unabhängig von der Anzahl der Zylinder und der Motordrehzahl immer exakt den erforderlichen Absorptionsgrad sicherstellt.
Jetzt gratis downloaden!

Sonderveröffentlichung

- ANZEIGE -

Fahrzeuge der Zukunft: Weitere intelligente Lösungen von TE Connectivity (TE)

Wie unsere erprobte Technologie und Erfahrung das 48-V-Bordnetz noch attraktiver machen.
Vieles spricht dafür, den elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs mit einem zusätzlichen 48-Volt-System auszustatten: Die Energierückgewinnung (Rekuperation) bei fast 90% der Bremsvorgänge reduziert sowohl Kraftstoffverbrauch als auch CO2-Emissionen. Und  das von einem 48-Volt-Elektromotor bereitgestellte zusätzliche Drehmoment unterstützt einen kleineren Verbrennungsmotor in der Beschleunigungsphase. Mehr dazu erfahren Sie hier!

- ANZEIGE -

Nachhaltige 48V-Antriebslösungen entwickeln

Für die Entwicklung nachhaltiger 48-Volt-Antriebslösungen werden geeignete Tools für das Testen von Mikro- und Mildhybridystemen im Niedervoltbereich benötigt. Optimalerweise lassen sich diese Tools auf einfache Weise in vorhandene Prüfstände integrieren. Mehr dazu erfahren Sie hier!

Bildnachweise