Verfahren zur Unterstützung der Arbeitsabläufe bei der Crash-Simulation im Fahrzeugbau

Abstract

Der starke internationale Wettbewerb in der Automobilindustrie zwingt die Unternehmen zu immer kürzeren Produktzyklen bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten bei der Fahrzeugentwicklung. Die passive Sicherheit ist dabei ein Thema von zunehmender Bedeutung in der Karosserieentwicklung. Die Optimierung der passiven Sicherheit erfolgt heute vor allem mit Hilfe von Crash-Simulationen am Rechner. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Verfahren zur Vorbereitung (Preprocessing) und Steuerung von Crash-Simulationen entwickelt. Damit lassen sich Crash-Simulationen effizienter und bereits in der frühen Phase der Karosserieentwicklung durchführen, in der Änderungen noch mit wenig Aufwand verbunden sind. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen der BMBF-Verbundprojekte AutoBench und AutoOpt und in enger Zusammenarbeit mit dem Automobilhersteller BMW realisiert. Ziel war die Entwicklung von Softwareprototypen zur Unterstützung der Berechnungsingenieure bei der Durchführung von Crash-Simulationen. Zunächst werden Techniken zur Erkennung, Visualisierung und Beseitigung der bei der Diskretisierung des CAD-Modells entstandenen Netzinkonsistenzen präsentiert. Ergänzt werden diese Verfahren durch einen Algorithmus zur Gitterrelaxation, der die Gleichmäßigkeit der Finiten Elemente nach der Beseitigung von Netzinkonsistenzen wiederherstellt. Anschließend wird ein Verfahren zur Flanscherkennung beschrieben, welches als Grundlage für weitere Algorithmen dient. Darauf aufbauend wird eine Vorgehensweise zur automatischen Definition von Schweißpunktlinien auf Flanschen vorgestellt. Ein breites Spektrum von Änderungen der Geometrie von Bauteilen durch Verformung bietet die sogenannte Free-Form Deformation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dieses Verfahren weiterentwickelt und hinsichtlich Benutzerfreundlichkeit und Effizienz angepasst. In Verbindung mit der Flanscherkennung wurde darauf aufbauend ein iterativer Algorithmus zur Justierung des Abstandes von Flanschen entwickelt. Damit können außerdem Durchdringungen von Finiten Elementen auf Flanschen behoben werden. Beim sogenannten Massentrimm geht es schliesslich um die vereinfachte Darstellung von nichttragenden Teilen. Dies vereinfacht den Berechnungsaufwand, da weniger Finite Elemente bei der Simulation berücksichtigt werden müssen. Durch die in dieser Arbeit entwickelten Preprocessing-Verfahren lässt sich das Finite-Elemente-Netz für die Simulation aufbereiten, und es können Änderungen und Ergänzungen am Netz vorgenommen werden. So kann z.B. die Auswirkung kleiner Änderungen auf das Simulationsverhalten rasch untersucht werden, und durch Ergänzung eines noch unvollständigen Finite-Elemente Modells lassen sich bereits in der frühen Entwicklungsphase Erkenntnisse über das Crashverhalten gewinnen. Die hier vorgestellten Verfahren wurden innerhalb einer Anwendung zur Visualisierung und Modellierung von Finite-Elemente-Modellen realisiert. Zusätzlich wurde diese Anwendung an die Integrationsumgebung CAE-Bench angebunden. CAE-Bench bietet eine Web-basierte Benutzerführung und eine einheitliche Bedienoberfläche für die verschiedenen Anwendungen bei der Crash-Simulation. Es wurde ein spezielles Java-Applet entwickelt, welches in die CAE-Bench Web-Seite eingebettet wird. Dieses Applet kommuniziert mit der Anwendung über CORBA und mit der CAE-Bench Web-Seite mit Hilfe von Java und Javascript Methodenaufrufen. Eine weitere CORBA-Schnittstelle der Anwendung ermöglicht den Abruf und die Visualisierung von Zwischenergebnissen der laufenden Simulation. So lässt sich frühzeitig Einfluss auf die Simulation nehmen, ein Vorgehen, das als Simulation Steering bezeichnet wird. Die vorliegende Arbeit kombiniert Ansätze aus den verschiedenen Bereichen der Informatik, z.B. aus dem Bereich der geometrischen Algorithmen, der Computergraphik, der Visualisierung und der geometrischen Modellierung, sowie aus dem Bereich der Benutzerschnittstellen und der Web-basierten und Middleware-Technologien. Durch die Beiträge dieser Arbeit wird eine schnelle und frühzeitige Durchführung von Crash-Simulationen unterstützt. Dies führt durch Simultaneous Engineering zu einer signifikanten Verkürzung der Entwicklungszeiten bei der Fahrzeugkonstruktion. The increasing global competition leads to shorter product cycles and the need for maximum efficiency in the domain of the automotive industry. While the serial production today is already very efficient, in the domain of car design there is still a big potential for optimization. Pasenger safety today is a topic of increasing interest. The optimization of the car safety is mainly performed using crash simulations. The goal of this work was to accelerate the process of car body development by two approaches: by performing crash simulations more efficiently, and by perfoming them in an early stage of the development process. In this early development stage, modifications can be performed with less effort. To achieve this goal, several approaches for editing the finite element mesh used for the crash simulations were developed. This way, simulation can be performed on the incomplete models of the early development stage, e.g. by using some adapted parts of the previous version, and by the definition of part connections. These approaches were implemented within an application for vizualizing and editing finite element models. Techniques for the detection, visualization and removal of mesh inconsistencies, i.e. perforations and penetrations, were developed. For the cases where the mesh is too distorted after this procedure, an algorithm for mesh relaxation has been elaborated. Flanges can be detected by the software, and connection elements like spotwelds can be placed automatically using the flange detection algorithm. For the purpose of mesh manipulations, an approach based on the so-caled direct manipulation of free-form deformation was developed. In order to facilitate the mass trim, components with irrelevant geometry can be converted to nonstructural masses and vieualized by glyphs. The use of nonstructural masses reduces the number of finite elements and therfore accelerates the simulation. Further, the complete software aplication was embedded into a new, web-based integration environment, by means of a Java applet and by using CORBA middleware. This way, the user is guided through the simulation process by a single user interface for the several applications employed within this process. Most of the research presented here was supported by the BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung, Federal Ministry for Education and Research). The research was done in the context of the two projects AutoBench and AutoOpt. Participants of these projects are the University of Stuttgart and the Fraunhofer-Gesellschaft (FHG), three german car manufacturers, like BMW, and various software suppliers of the automotive industry.