Modellbasiertes Systems Engineering für einen neuen Ansatz in der virtuellen NVH-Entwicklung

Ein neuer Blick auf Fahrgeräusche

Seit ihrer Gründung im Jahr 1967 hat die Hyundai Motor Group (HMG) nach permanenter Perfektionierung gestrebt. Sie war ein Pionier bei vielen Automobiltechnologien und gilt heute als ein führendes Unternehmen in Sachen Mobilität der Zukunft. Dieser Geist wirkt auf jeden Aspekt des Geschäfts von HMG, von der Vision der Elektrifizierung bis hin zu seiner beispiellosen Zuverlässigkeit. Dies erklärt auch das Engagement von HMG in Sachen Fahrgeräuschreduzierung bei seinen Fahrzeugen.

Originalhersteller (OEMs) versuchen seit Jahrzehnten, diese zu reduzieren. Das zunehmende Interesse an Elektrofahrzeugen (EVs) hat diese Bemühungen nur noch verstärkt. Im Rahmen seines Engagements für ständige Verbesserungen beschloss HMG, seine Herangehensweise an das Thema Fahrgeräusche für alle seine Fahrzeuge zu überdenken, da diese Änderung den Übergang zu einer Strategie der integrierten modularen Architektur (IMA) beinhaltete. OEMs können die Entwicklungskosten senken, indem sie das gleiche Teil in mehreren Fahrzeugmodellen verwenden. Dies ist besonders effektiv bei Elektrofahrzeugen, da die Batterien so entwickelt werden können, dass sie sich flexibel an jedes Fahrzeugmodell anpassen lassen. Zur Bewältigung der neuen, durch die IMA entstandenen Komplexität war die HMG bestrebt, Daten zu integrieren, eine geeignete Infrastruktur bereitzustellen und die virtuelle Entwicklung auszubauen.

Die Ingenieure von HMG leisten Pionierarbeit im Bereich der testdatengestützten MBSE für Fahrgeräusche von Gesamtfahrzeugen.

Mehr als nur ein Softwareanbieter

Es ist das Ziel von HMG, der weltweit führende Hersteller von Elektrofahrzeugen zu werden. Dazu muss das Unternehmen die Effizienz steigern, die Kosten seiner Fahrzeugprogramme senken und zugleich die hinsichtlich der Fahrgeräusche angestrebten Ziele umsetzen.

Dies führte dazu, dass HMG eine strategische Partnerschaft mit Simcenter™ Engineering and Consulting Services einging, um die Fahrgeräusche zu reduzieren. Seit 2019 arbeiten die Gruppen eng zusammen, um hochwertige Fahrzeuge mit optimalem Geräuschpegel zu entwickeln. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator Business-Plattform mit Software, Hardware und Services.

Die Ingenieure von HMG wussten, dass sie eine kommerzielle Lösung benötigten, um Genauigkeit und Geschwindigkeit in ihrem Entwicklungsprozess in Einklang zu bringen und die Fahrgeräusche zu optimieren. Sie wussten auch, dass die virtuelle Entwicklung in den frühen Phasen entscheidend sein würde, wollten aber die bestmögliche Genauigkeit der Simulationen durch die Einbeziehung von Testdaten sicherstellen.

Die dreiteilige Strategie von HMG für die digitale Transformation.

„Vor drei Jahren haben wir uns sozusagen auf den Weg gemacht, um die Rolle des Prüfingenieurs für die virtuelle Entwicklungsumgebung zu definieren“, sagt Sangyoung Park, Senior Research Engineer bei HMG. „Wir haben uns zunächst auf die Entwicklung von Testmodellen konzentriert, die mit unseren Simulationsmodellen kompatibel sind. Bei dem Versuch, perfekt kompatible Testmodelle zu erstellen, stieß ich jedoch auf erhebliche Hindernisse. Aus diesem Grund habe ich mich an Simcenter Engineering and Consulting Services gewandt.“

„Wir haben uns für Simcenter Engineering entschieden, weil wir wussten, dass sie uns helfen würden, unsere Vision in eine handlungsorientierte, realistische Roadmap für die Implementierung umzusetzen“, fährt Dr. Jaehoon Jeong, Senior Research Engineer bei HMG, fort. „Sie haben bewährte Methoden und Erfahrungen für die Integration von Hard- und Software entwickelt, die ein Gleichgewicht zwischen praktischer Anwendung und technologischem Fortschritt erzielen.“

Dies funktionierte besonders gut, da HMG bereits das Simcenter-Tool-Portfolio verwendete, sodass Park und Jeong nicht in neue Lösungen investieren, sie erlernen und implementieren mussten.

„Wir hatten erkannt, dass sich Test- und Simulationstechnologien kombinieren lassen, um einen noch zuverlässigeren digitalen Zwilling zu schaffen“, sagt Park. „Wir bezeichnen diesen Prozess als testdatengesteuertes MBSE und haben uns für Simcenter Engineering entschieden, um Testmodelle zu erstellen, die repräsentativ, kompatibel und glaubwürdig sind und auch zur bestmöglichen Präzision beitragen.“

Daraufhin begannen HMG und Simcenter Engineering ein mehrphasiges Projekt, das mehrere Jahre andauerte.

HMGs testdatengesteuerte MBSE zur Erstellung von Testmodellen für die virtuelle Entwicklung.

Unveränderliche Belastungen durch den Reifen

Die Ingenieure von Simcenter arbeiteten gemeinsam mit dem HMG-Team daran, die bauteilbasierte TPA-Technologie (Component Based Transfer Path Analysis) auf Radebene anzuwenden und so invariante Radmittelkörperlasten zu ermitteln. Diese invarianten Lasten, die manchmal auch als blockierte Kräfte bezeichnet werden, hängen ausschließlich von den Rädern ab und ändern sich nicht in Bezug auf die aufnehmende Struktur.

Diese Lasten sollten dem Team ein besseres Verständnis des Verhaltens eines Bauteils vermitteln und die Möglichkeit geben, klare Ziele für Bauteile und zusätzliche Informationen frühzeitig in der Entwicklungsphase mit ihren Lieferanten zu teilen. Darüber hinaus konnten mit Hilfe von Simcenter Virtual Prototype Assembly (VPA) die für die Räder definierten invarianten Lasten mit virtuellen Fahrzeugbaugruppenvarianten zur Vorhersage und Bewertung des Fahrgeräuschverhaltens verwendet werden, was den Wunsch von HMG widerspiegelt, in jedem Entwicklungsschritt testdatengestützte MBSE einzusetzen.

Um die invarianten Lasten in den Entwicklungsprozessen von HMG anwenden zu können, mussten Park und das Simcenter Engineering Team ermitteln, wie sich invariante Lasten experimentell identifizieren und am Reifen bewerten lassen, ob sich die Theorie praktisch umsetzen lässt und wie gut sie das Fahrgeräuschverhalten des Fahrzeugs vorhersagen kann.

Das Team von Simcenter Engineering arbeitete mit HMG zusammen, um die komponentenbasierte TPA-Methode am Reifen zu validieren. Die Teams konnten nachweisen, dass der Ansatz mit dem derzeitigen Verfahren der HMG zur Fahrgeräuschbewertung funktionieren kann.

Untersuchung invarianter Lasten auf der Radebene.

Eine historische Leistung: Testbasierte Modellierung des Fahrwerks

In der vorherigen Phase bestand das System nur aus zwei Komponenten, dem Reifen als Quelle und dem Rest des Fahrzeugs, einschließlich der Karosserie mit Federung, als Empfänger.

In der Folgephase unterteilten die Teams von Simcenter Engineering und HMG die Aufnahmestruktur weiter in Aufhängung und Karosserie mit der dazwischen liegenden Lagerung. Alle Komponenten wurden experimentell charakterisiert, um den Ingenieuren später die Möglichkeit zu geben, Modelle zu entwickeln, mit denen sich eine virtuelle Baugruppe des gesamten Fahrzeugs konstruieren lässt.

Diese Phase war angesichts der fortschreitenden Elektrifizierung der Automobilbranche besonders wichtig. Antriebs-, Straßen- und Windgeräusche sind bedingt durch diesen Umstieg zu den Hauptverursachern von Fahrzeuginnengeräuschen geworden sind.

Die komponentenbasierte TPA ist eine wirksame Methode, um die individuelle Charakterisierung von Unterstrukturen zu einem virtuellen Fahrzeug zusammenzufügen, sodass die Systementwickler zwischen verschiedenen Entwürfen wechseln und die zunehmende Produktkomplexität sowie die steigende Anzahl von Fahrzeugvarianten bewältigen können.

Eine große Herausforderung bei der komponentenbasierten TPA ist jedoch die genaue Darstellung des Teilsystems in seinen realistischen betrieblichen Randbedingungen und Vorbelastungen. Um ein Bauteil zu messen, muss es außerdem an den Verbindungsschnittstellen frei sein, was die Schaffung der erforderlichen Bedingungen während der Testkampagne vor erhebliche Herausforderungen stellt. Eine Lösung für diese Herausforderung kann die frequenzbasierte Substrukturierung (FBS) sein, eine Technik zur Charakterisierung des Schwingungsverhaltens einer unbekannten Komponente durch Subtraktion der tragenden Struktur von der gesamten Baugruppe. Die FBS-Entkopplung ist eine Methode, mit der die Frequenzgangfunktionen (FRFs) einer unbekannten Komponente identifizieren lassen, indem der Einfluss der Sekundärstruktur von den beiden Baugruppen entfernt wird.

Im Vorfeld dieses Projekts wurde die testbasierte Erstellung eines Fahrwerksmodells in mehreren Unternehmen mit unterschiedlichem Erfolg getestet und angewendet. Keines dieser Modelle entsprach jedoch der erforderlichen Datenform für FBS und dem Frequenzbereich für dieses Projekt.

Ursache dafür ist die besonders schwierige Natur der Aufhängungen. Diese können nicht separat charakterisiert werden, da sie auf der einen Seite an einem Rad und auf der anderen Seite an der Karosserie befestigt sind. Dies macht es schwierig, die betrieblichen Randbedingungen während der reinen Komponentencharakterisierung nachzubilden, einschließlich der vertikalen Vorspannung durch das Fahrzeuggewicht und den Schlupf der Aufhängung während der Fahrt. Wenn die Aufhängung nicht korrekt modelliert ist, sind die Ergebnisse nicht genau. Der FBS-Entkopplungsansatz wurde bisher nur in akademischem Kontext, aber nie kommerziell bei eine Aufhängung angewendet. Mit dieser Methode konnten die Ingenieure ein Modell erstellen, das die erforderliche Genauigkeit und den erforderlichen Frequenzbereich für die Aufhängung bietet.

Anschließend konstruierten HMG und Simcenter Engineering einen kundenspezifischen Prüfstand, um die Aufhängung genau zu testen und die Anforderungen an die Konstruktion des Prüfstands zu entwickeln und zu validieren. Die Teams erkannten auch, dass die Reproduzierbarkeit für diesen Prüfstand von entscheidender Bedeutung sein würde, und entwarfen ihn so, dass er sich später auch intern verwenden lässt.

Die Konstruktion der Aufhängungsvorrichtung erforderte eine Kombination aus Hardware, Simulationssoftware und komponentenbasierter TPA.

In einem ersten Schritt wurde die Aufhängung mit einer Prüfvorrichtung gekoppelt, die FRF-Tests unter Betriebsbedingungen ermöglicht. Die Testvorrichtung wurde unter Verwendung eines Finite-Elemente-Modells (FE) entworfen und validiert, um ein starkes dynamisches Verhalten oder eine übermäßige Steifigkeit zu begrenzen, damit sie mit der Zielstruktur gekoppelt werden kann. Darüber hinaus ermöglichte die Vorrichtung die Montage verschiedener Aufhängungen mit Adapterblöcken an ihren Schnittstellenpunkten.

Park und das Simcenter Engineering-Team sind die erste Gruppe überhaupt, die erfolgreich einen kompletten Testaufbau für die FBS-basierte Baugruppenanalyse errichtet hat. Dieser Aufbau ermöglichte die Identifizierung eines repräsentativen integrierten Vorderradaufhängungsmodells mit den korrekten betrieblichen Randbedingungen.

„Als ich unsere Idee für den Erwerb eines Fahrwerksmodells vorschlug, war ich mir nicht sicher, ob es überhaupt realisierbar war“, sagt Park. „Dank der integrierten Hardware-, Software- und komponentenbasierten TPA-Tests von Siemens konnten wir jedoch eine sehr anspruchsvolle Vorrichtung fehlerfrei konstruieren. Darüber hinaus wurden verschiedene Techniken aus anderen Testkampagnen verwendet, um Änderungen im laufenden Betrieb erfolgreich vorzunehmen. Die erlangten Fortschritte sind ermutigend und werden uns helfen, zukünftige Modelle vorzubereiten, um die Leistung in den frühen Entwicklungsphasen zu bewerten.“

Charakterisierung des Fahrwerksmodells

Nachdem der Prüfstand fertiggestellt war, machten sich die Teams an die Arbeit, um das Fahrwerksmodell zu charakterisieren. Simcenter 3D, die CAE-Lösung (Computer-Aided Engineering) für die multidisziplinäre Produktentwicklung, wurde verwendet, um den idealen Testaufbau zu bewerten, einschließlich Sensorpositionierung, Zugänglichkeit und Kompatibilität für die Anregung mit Simcenter for Qsources-Hardware™. Simcenter Qsources ist eine Suite von Schall- und Schwingungsanregungshardware zur Messung von Frequenzgangfunktionen.

Die Verwendung von Simcenter 3D ermöglichte auch eine einfache Kommunikation zwischen dem Simulationsteam in Leuven, Belgien, und dem Testteam in Südkorea. In Leuven erstellten, evaluierten und validierten Ingenieure CAD-Modelle für die Beschleunigungsmesser und den Simcenter Qsources-Shaker. Anhand dieser CAD-Modelle konnten die Prüfingenieure in Südkorea dann Instrumentierungen und Messungen durchführen. Dadurch etablierte sich eine wichtige Feedback-Schleife zwischen dem Simcenter Engineering-Team und dem Kunden, um Änderungen vorzunehmen und die Testgeometrie zu extrahieren.

Nach der Platzierung der Sensoren wurden Testlösungen aus dem Simcenter-Portfolio, einschließlich der Simcenter Testlab-Software™ und der Simcenter SCADAS-Hardware™, verwendet, um die Strukturdynamik des Systems auf dem Prüfstand zu charakterisieren. Man verwendete auch Simcenter Qsources-Shaker und Anregungshardware, um die Messgenauigkeit zu bestätigen.

Die Teams wiederholten diese Studien auf dem Prüfstand mehrmals. Für diese Studie wurden ca. 31.800 Transferfunktionen/FRFs (146 Anregungen und 132 Antworten) erfasst. Die Aufhängungskomponente enthielt eine große Anzahl von Verbindungspunkten, die es erforderten, Wechselwirkungen zu beschreiben und zu messen. Infolgedessen war eine hohe Anzahl von Frequenzgangfunktionen (FRFs) erforderlich, um es zu charakterisieren, von den Eingängen an den Radnaben bis zu den Ausgängen an den Anschlüssen zu den Fahrzeugkarosserien. Dies war ein enormer Aufwand, aber notwendig, um eine genaue Modellerstellung zu gewährleisten.

Und die Bemühungen waren erfolgreich: Nach den Tests waren die Teams in der Lage, das dynamische Verhalten so zu extrahieren, dass es zu einer genauen Modellierung des Aufhängungssystems beitrug. Nach Abschluss des Projekts übergab das Simcenter Engineering-Team den Prüfstand an den Kunden für den zukünftigen Einsatz vor Ort.

Einsatz der Technologie und Anpassung

Als Nächstes arbeiteten Simcenter Engineering und HMG zusammen, um die in den vorangegangenen Projektphasen erlernten Techniken mit Hilfe von Simcenter VPA und Simcenter Testlab NVH Simulator anzuwenden.

„Mit den Modellen und Techniken, die in den vorangegangenen Projekten entwickelt wurden, wollten wir unseren Systemgestaltern die Möglichkeit geben, die Geräuschentwicklung bei verschiedenen Fahrbedingungen wie Straßen und Geschwindigkeit subjektiv zu bewerten“, sagt Park.

Mit Simcenter VPA bauten Simcenter Engineering und HMG eine virtuelle Fahrzeugbaugruppe auf der Basis von Test- und Simulationsmodellen auf. Die Teams konnten nun die NVH-Leistung von Fahrzeugen virtuell vorhersagen und bestätigten, dass der Wechsel zu einer modellbasierten virtuellen Fahrzeugentwicklung machbar und noch genauer war.

Die Teams identifizierten die Bedürfnisse und Ziele von HMG für die Fahrgeräuschanalyse und definierten eine Roadmap zur Verbesserung und Anpassung von Simcenter VPA, um diese Anforderungen zu erfüllen. Dazu gehörten eine dedizierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) für die Datenanalyse und spezifische Funktionen für die komplexe mehrstufige Fahrzeugmontage. Das ultimative Ziel dieser Phase war es, die vom zu entwickelnden Fahrzeug erzeugten Geräusche mit dem Simcenter Testlab NVH-Simulator hörbar zu machen, noch bevor ein physischer Prototyp entstand. Mit dem Simcenter Testlab NVH-Simulator lassen sich Fahrgeräusche mit anderen normalen Geräuschquellen wie Wind, Reifen und Antriebsstrang kombinieren, um sie realistischer zu gestalten. Dies hilft Ingenieuren, noch genauere Vorhersagen der Geräuschentwicklung zu treffen.

Die HMG-Ingenieure können die von Simcenter Testlab erhaltenen Daten für detaillierte Analysen nutzen, einschließlich der Identifizierung dominanter Geräusche, deren Ursprung und weiterer Details. Simcenter Engineering wird auch mit HMG zusammenarbeiten, um eine Datenbank dieser Geräuschinformationen aufzubauen, die auch eine Komponentenbibliothek für die virtuelle Montage und Geräuschinformationen für Simcenter Testlab enthalten wird. Dadurch kann HMG Entwicklungszeit und -kosten reduzieren.

Schließlich werden Simcenter Engineering und HMG die Tools und Methoden für die spezifischen Anforderungen von HMG verfeinern. Da es das Ziel ist, diese Technologie in den Entwicklungsprozess von HMG zu integrieren, muss gewährleistet werden, dass die Tools maßgeschneidert sind, um Effizienz und eine einfache Einführung zu erreichen.

Einsatz der Technologie und Anpassung für die modellbasierte virtuelle Fahrzeugentwicklung bei HMG.

Eine Roadmap für die Zukunft

Park und Simcenter Engineering arbeiten gemeinsam an Projekten, um diese Technologie zu integrieren. Neben der verbesserten Genauigkeit erwartet das HMG-Team auch eine Verkürzung der Entwicklungszeit, da dieses Projekt viele Testteile und Modelle lieferte, die sich in Fahrzeugstudien verwenden lassen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, jedes Mal, wenn sich ein neues Fahrzeug in der Entwicklung befindet, Simulationsmodelle zu erstellen und zu korrelieren.

„Wir haben eng mit dem Team von Simcenter Engineering zusammengearbeitet“, sagt Park. „Wir sind zuversichtlich, dass dieses Projekt uns helfen wird, unsere Entwicklungseffizienz für die neue IMA-Strategie von HMG zu verbessern. Gemeinsam mit dem Team von Simcenter Engineering haben wir daran gearbeitet, das Reifenmodell zu verbessern, das Fahrwerksmodell effizienter zu machen und viele weitere Herausforderungen zu meistern. Wir freuen uns, sie als strategische Partner an unserer Seite zu wissen.“

Simcenter-Software und -Hardware wurden gemeinsam eingesetzt, um den Ingenieuren zu helfen, einen digitalen Zwilling der Fahrgeräusche zu erstellen.

Der Kunde steht an erster Stelle

Park und Jeong bestätigen, dass dieses Projekt den Komfort für Fahrer und Beifahrer verbessern wird, indem unerwünschte Geräusche und Vibrationen aus der Kabine entfernt werden – ganz im Sinne des Engagements von HMG im Interesse seiner Kunden. „Das Ergebnis unseres Projekts mit Simcenter Engineering ist, dass wir jetzt bereits in den frühen Phasen der Fahrzeugentwicklung zeitnahe und zuverlässige Verbesserungen vornehmen können“, sagt Park. „Dies wird die Zufriedenheit von Fahrern und Beifahrern steigern und das Fahren von HMG-Fahrzeugen noch komfortabler und angenehmer machen.“