FAHRZEUG-UMWELT-MENSCH-INTERAKTION

1 2© earth.google.comGRAPE

Schnittkräfte für MKS-Simulation

Schaufelkinematik für Partikelsimulation

Fraunhofer-Institut für Techno- und

Wirtschaftsmathematik ITWM

Fraunhofer-Platz 1

67663 Kaiserslautern

Kontakt

Dr. Klaus Dreßler

Telefon +49 631 31600-44 66

klaus.dressler@itwm.fraunhofer.de

www.itwm.fraunhofer.de

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1 Boden- und Material-

simulation

2 Krümmungen und Stei-

gungen entlang einer Route

Nutzerabhängige Prognose von Beanspruchung,

Verbrauch und Emission im realen Fahrbetrieb

Nutzungsvariabilität

Fahrzeug Reifen Boden UmgebungFahrer

NutzungsmodellUmgebungsmodell Fahrzeugmodell

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R T E C H N O - U N D W I R T S C H A F T S M A T H E M A T I K I T W M

Boden- und Materialsimulation

Mit GRAPE (GRAnular Physics Engine) ver-

fügt das Fraunhofer ITWM über einen eige-

nen produktiven DEM-Solver (Discrete Ele-

ment Method) für Partikelsimulationen.

GRAPE ist derzeit auf die Behandlung gra-

nularer Medien spezialisiert und erreicht

Echtzeitfaktoren < 100 für praxisrelevante

Partikelsamplegrößen (~150 000 Partikel).

Die Modellparametrierung erfolgt über in

der Bodenmechanik etablierte und standar-

disierte Triaxial-Versuche mit optionaler Ab-

sicherung über McKyes-Tests. Durch sorg-

fältige Parametrierung liefern die Simulatio-

nen nicht nur einen korrekten Materialfluss,

sondern auch im Rahmen der probleminhä-

renten Fluktuationen richtige Reaktions-

kräfte auf Werkzeuge in der Bodenbearbei-

tung. Darüber hinaus kann GRAPE über

das Functional Mockup Interface (FMI) oder

Simulink S-Functions in Co-Simulationssze-

narien eingesetzt werden.

Simulation der Nutzungsvariabilität

Für die Auslegung und Beurteilung mecha-

nisch beanspruchter Bauteile sowie für die

Bewertung von Kraftstoffverbrauch und

Emission in der tatsächlichen Fahrzeugnut-

zung im Feld spielen statistische Methoden

eine zentrale Rolle. Zu Beginn stehen die Er-

fassung, Beschreibung und Modellierung der

Nutzungsvariabilität, die sich durch Kombi-

nation des unterschiedlichen Verhaltens der

Nutzer mit der jeweiligen Umgebung ergibt.

Welche Straßentypen werden von einem Van

in Osteuropa im Stadt-dominierten Verkehr

oder im Fernverkehr gefahren? Wie häufig

und ausgeprägt sind Steigungen und Ge-

fälle und wie ändert sich dieses Bild, wenn

die gleiche Nutzung in Westeuropa be-

trachtet wird?

Diese und ähnliche Fragen werden am

Fraunhofer ITWM systematisch mit statisti-

schen Methoden und georeferenzierten

Daten untersucht. Dabei werden sowohl

Nutzungsszenarien, etwa ein PKW im

Pendlereinsatz in Frankreich, durchgespielt

(mit der virtuellen Messkampagne VMC®)

als auch Messdaten durch georeferenzierte

Auswertung aufbereitet und anhand von

Nutzungsmodellen auf Verteilungen für

unterschiedliche Nutzergruppen hochge-

rechnet (Nutzungssimulation U·Sim).

Die Abteilung Mathematische Methoden in

Dynamik und Festigkeit entwickelt Metho-

den zur Lösung all dieser Aufgaben, führt

entsprechende Projekte durch und bietet

Softwarelösungen dazu an.

si si+N Strecke s

Geschwindigkeitsbegrenzung vmax

Höhe/Steigung

aktueller Horizont

ma = Fdrive+ Fbrake+ Fres

1 3 42

Virtuelle Produktentwicklung in der Fahrzeugindustrie heißt physikalische und funktionale Eigenschaften der zu entwickelnden Fahrzeuge

auf Basis von CAE-Berechnungen zu bewerten, zu optimieren und abzusichern. Bei Attributen wie Betriebsfestigkeit, Zuverlässigkeit, Ener-

gieverbrauch und Emission ergibt sich die Schwierigkeit, dass höchst unterschiedliche, zeitlich variable Vorgänge simuliert und zur Bewer-

tung geeignet akkumuliert werden müssen. Hierfür muss man nicht nur das Fahrzeug selbst, sondern auch seine »Randbedingungen« oder

seine »Wechselwirkung mit dem Rest der Welt« abbilden. Im Einzelnen braucht man zusätzlich zu den CAE-Fahrzeugmodellen auch gute

Modelle für Straßennetz, Topographie, Straßenbeschaffenheit, Verkehr, Reifen und Fahrerverhalten. Unter dem Aspekt der Absicherung

betrifft diese Herausforderung in besonderem Maße auch die Ableitung und Qualifikation geeigneter (virtueller und physikalischer) Erpro-

bungskonzepte, die der Variabilität der Beanspruchungen, Verbräuche und Emissionen im realen Betrieb gerecht werden. Am Fraunhofer

ITWM widmen wir uns dieser Problematik systematisch seit 2010 im Rahmen des Fraunhofer Innovationsclusters »FUMI – Fahrzeug-Um-

welt-Mensch Interaktion«, der nun seit 2016 in das »Leistungszentrum Simulations- und Software- basierte Innovation« integriert ist.

Fahrzeugmodelle für Lastpfad

und Energiefluss

Moderne Fahrzeuge – Pkw, Lkw, Land- und

Baumaschinen – sind hochkomplexe mecha-

tronische Systeme. Am ITWM werden für

solche Systeme numerische Modelle erstellt,

die mithilfe einer Computersimulation analy-

siert werden können. So kann das System-

verhalten (auftretende Lasten, Lastpfade,

Energie flüsse zwischen einzelnen Kompo-

nenten oder Baugruppen) bereits in einem

frühen Stadium des Entwicklungsprozesses

sehr effizient untersucht, angepasst und op-

timiert werden. Die Grundstruktur solcher

Systeme sind in der Regel mechanische Sys-

teme, die mit Methoden der Mehrkörpersimu-

lation (MKS) mathematisch modelliert werden.

Modelle aus anderen physikalischen Diszipli-

nen (Hydraulik, Elektrik, Elektronik etc.) oder

Regler können daran gekoppelt werden.

Das ITWM entwickelt Methoden zur effizi-

enten Simulation solch gekoppelter Systeme

(Co-Simulation). Auch Kopplungen zu realer

Hardware (z. B. für HiL-Tests oder im Bereich

interaktiver Fahrsimulatoren zum Fahrer/ Be-

diener) werden eingesetzt. Oft werden in

diesem Kontext zusätzliche Anforderungen

hinsichtlich Recheneffizienz gestellt. Am

ITWM werden hier spezielle Modellierungs-

techniken (geeignete Modellkomplexität),

Kopplungsmethoden sowie spezielle nume-

rische Löser entwickelt und eingesetzt.

Zusätzlich beschäftigt sich das Institut mit der

Entwicklung von Monitoring- und Fahrer-/ Be-

dienerassistenzsystemen. Hierbei werden z. B.

Maschinengrößen (Geschwindigkeit, Masse

etc.) online, d. h. während des Betriebs, prä-

diktiv geschätzt und können den Bediener in

seinen Entscheidungsprozessen unterstützen.

Methodisch kommen dabei Verfahren der

nichtlinearen Optimalsteuerung sowie der mo-

dellprädiktiven Regelung (MPC) zum Einsatz.

Interaktive Simulation

Mit der rasant zunehmenden Komplexität von

Fahrzeugen, die den Fahrer bei einer Vielzahl

von Entscheidungen nicht nur mehr unter-

stützen, sondern in wachsendem Maße sogar

das Fahren teilweise oder auch ganz über-

nehmen, ergeben sich neue Anforderungen

an die Simulationskette im Entwicklungspro-

zess. Mit dem ITWM-eigenen Fahrsimulator

RODOS® werden in sehr frühen Entwick-

lungsphasen virtuelle Prototypen erprobt

und in sehr schnellen Iterationszyklen ver-

bessert. Dabei wird hauptsächlich auf Ex-

perten und Referenzfahrer zurückgegriffen.

Statt physikalischer Prototypen werden nen-

nenswerte Anteile von Feldstudien durch

die interaktive Simulation substituiert. Typi-

sche Untersuchun gen im Simulator sind: ■■ die Wirkung neuer Assistenz- und Auto-

matisierungssysteme auf Bediener■■ Entwicklung und Erprobung neuer Human-

Machine-Interfaces, neuer Maschinen

und Fahrzeugfunktionen■■ Ableitung von Fahrer- / Bedienermodellen.

Ein besonders wichtiger Aspekt stellt dabei

die Werkzeugkette zur Erstellung interaktiver

Simulationen dar: Es werden für RODOS®

ausschließlich klassische Simulationstools

wie z. B. Matlab / Simulink®, Simpack®, LMS

Virtual Lab®, C++ etc. benötigt. Dadurch ist

sichergestellt, dass bereits existierende und

validierte Modelle unserer Partner in der inter-

aktiven Simulation verwendet werden können.

Änderungen am Simulationsmodell können

somit unmittelbar in die produktiven Pro-

zesse bei den Partnern zurückfließen.

Reifen

Der Reifen stellt bei allen Radfahrzeugen

das Bindeglied zwischen Umwelt, sprich

Boden, und dem eigentlichen Fahrzeug dar.

Über das komplexe Bauteil Reifen werden

Kräfte in das Fahrzeug eingeleitet, die sich

aus der Fahrbahnunebenheit (Umwelt) und

der Fahrdynamik, beeinflusst durch den

Fahrer, ergeben. Möchte man entsprechen-

de Szenarien in einer Gesamtfahrzeugsimu-

lation nachbilden, so stellt der Reifen bei

der Lastübertragung somit eine der wesent-

lichen Komponenten dar. Das ITWM-Reifen-

modell CDTire unterstützt als Bestandteil

moderner MKS-Programme den Entwick-

lungsingenieur in fast allen Analyseszenari-

en. Das besondere Augenmerk auf Gürtel-

dynamik und Interaktion mit 3D-Fahrbahn-

oberflächen erlaubt eine gute Vorhersage-

genauigkeit, sowohl der transienten Ampli-

tuden als auch im Frequenzbereich.

CDTire unterstützt verschiedene Anwen-

dungen in problemangepasster Modellkom-

plexität. Das »Muttermodell« CDTire / 3D ist

ein strukturmechanisches Schalenmodell,

das alle funktionalen Elemente des Reifens

abbildet. Abgeleitete (reduzierte) Modelle

sind CDTire / Realtime (echtzeitfähig für Be-

triebsfestigkeit und Komfortanwendungen),

CDTire/ MF++ (Magic Formula mit Tempera-

tur abhängigkeit), CDTire/ Thermal (detaillier-

tes thermodynamisches Modell zur Simula-

tion der Temperaturentstehung und Tempera-

turausbreitung im Reifen) und CDTire/ NVH

(Linearisierung des Reifenmodells CDTire/ 3D

und Weiterverwendung in FEM-basierten

NVH-Tools).

Umgebungsdaten und Straßennetz

Zur Untersuchung der Nutzungsvariabilität

mit Anwendungen im Bereich der Betriebs-

festigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizi-

enz von Fahrzeugen stehen am ITWM so-

wohl eine reichhaltige Methodensammlung

als auch eine georeferenzierte Datenbasis zur

Verfügung. Mit VMC® GeoStatistics werden

auf Basis einer weltweiten digitalen Straßen-

karte (inkl. Geschwindigkeitsbegrenzungen,

Verkehrsregeln, Höhen- und Klimadaten)

Regionen, Märkte oder einzelne Routen

hinsichtlich fahrzeugrelevanter Eigenschaf-

ten analysiert und verglichen. Damit erge-

ben sich weitreichende neue Möglichkeiten

zur verbesserten Auswertung von Messda-

ten sowie zur zielgerichteten Planung neuer

Messkampagnen.

Zur spezifischen Ergänzung dieser Datenbasis

steht am ITWM das Messsystem REDAR

(Road and Environmental Data Acquisition

Rover) bereit. Dabei handelt es sich um ein

Messfahrzeug zur Erfassung detaillierter

3D-Umwelt- und Umgebungsdaten mit fol-

genden Hauptkomponenten: Inertialsystem

mit DGPS und Wegstreckensensor, Laser-

scanner sowie hochauflösende Industrieka-

meras. Damit erfasste Daten beinhalten unter

anderem Punktwolken zur realitätsnahen

3D-Darstellung der befahrenen Umgebung

und eine sehr genaue Abtastung der Straßen-

oberfläche. Anwendungen des Systems liegen

im Bereich des interaktiven Fahrsimulators

RODOS®, innerhalb der Methoden zur inva-

rianten Anregung von Simulationsmodellen

und zur Ergänzung der VMC-Datenbasis im

Bereich der Straßen oberflächen.

1 Berechnung von Ge-

schwindigkeitsprofilen

entlang einer Route

2 Interaktive Simulation

mit RODOS® in einem

Punktewolkeszenario

3 Reifensimulation mit

Temperatur- und Kontakt-

kraftverteilung

4 Umgebungsdatenerfas-

sung bis hin zur hochaufge-

lösten Straßenoberfläche