Hersteller verwendet Simcenter STAR-CCM+ für die Konstruktion von unverwechselbaren Low-Drag-Autos und gewinnt 2014 die Super GT Series

„Ein unentbehrliches Werkzeug“

Trotz drei Jahrzehnten Exzellenz auf der Rennstrecke ist Nissan Motorsports International (NISMO) immer auf der Suche nach Möglichkeiten, schneller zu fahren. Das Unternehmen hat kürzlich die einzigartigen Fähigkeiten der numerischen Strömungsmechanik (CFD) eingesetzt, um den Aerodynamik-Ingenieuren des Unternehmens zu helfen, ihre Aerodynamik-Pakete während des Entwicklungsprozesses zu verbessern. Yoshitaka Yamamoto, der leitende Aerodynamiker der Entwicklungsabteilung der NISMO GT-R Grand Touring (GT)-Fahrzeuge, glaubt, dass „CFD als unverzichtbares Werkzeug in der Entwicklung dient, um die unsichtbare Dimension des Flusses sichtbar zu machen.“

Super GT-Serie

Die SUPER GT, ein vom Internationalen Automobilverband (FIA) sanktioniertes Rennen, verfügt über ein Reglement, das als GT500 für die hochkarätige Rennkategorie und GT300 für die Privatfahrerkategorie (Teilnehmer ohne Herstellerunterstützung) bekannt ist. Die GT500-Klasse besteht hauptsächlich aus Fahrzeugen, die von den drei großen japanischen Automobilherstellern Nissan, Toyota und Honda sowie deren verbundenen Unternehmen entwickelt und hergestellt werden. Die GT300-Klasse ist hauptsächlich für Amateure gedacht, wobei die Mehrheit der teilnehmenden Teams aus Privatfahrern besteht.

Im Rennen treten Fahrzeuge aus diesen Kategorien auf der gleichen Strecke gegeneinander an. Die Geschwindigkeitsunterschiede führen zu noch komplexeren und aufregenderen Rennbedingungen. Die Autos liefern sich einen erbitterten Wettstreit, um sich gegenseitig zu überflügeln, während sie über die Rennstrecke jagen und ein fesselndes Spektakel schaffen. Das NISMO-Team entwickelt und produziert Fahrzeuge für beide Kategorien. Das Fahrzeug der GT500-Klasse, das für den Ruf des Unternehmen entscheidend war, basiert auf dem GT-R.

Im Jahr 2013 wurde das GT-Reglement stärker an das der Deutschen Tourenwagen Meisterschaft (DTM) angeglichen, was zu neuen mechanischen und aerodynamischen Änderungen für den 2014er Nissan GT-R NISMO GT500 führte. Für die Entwicklung wurde die Software Simcenter™ STAR-CCM+™ des Product Lifecycle Management-Spezialisten (PLM) Siemens Digital Industries Software verwendet.

In der Rennwagenentwicklung besteht der traditionelle Ansatz darin, Windkanaltests an maßstabsgetreuen Modellen durchzuführen und diese mit Druckmessungen an bestimmten Punkten durch Rauch, Büschel, Particle Image Velocimetry (PIV) und andere Methoden zu visualisieren.

Mit diesen Methoden ist es jedoch fast unmöglich, den gesamten Bereich der aerodynamischen Strömung zu visualisieren. Andererseits haben die jüngsten Fortschritte in der CFD-Software, -Hardware und -Rechenleistung es den Ingenieuren ermöglicht, einen kompletten Rennwagen in einem hochdetaillierten CFD-Modell von Grund auf zu simulieren und einen tieferen Einblick in ihre Konstruktionen zu erhalten, die mit anderen Mitteln nicht realisierbar wären. Simcenter STAR-CCM+ trägt wesentlich zum Verständnis der Phänomene bei, die bei Fluidströmen eine Rolle spielen, und ermöglicht eine genaue Anzeige und Analyse der Informationen mit einem Detaillierungsgrad, der experimentell nur schwer zu liefern ist. Es ermöglicht den Ingenieuren, das Auto vor jeder Windkanalsitzung virtuell zu testen, um verschiedene Konfigurationen und Was-wäre-wenn-Szenarien im Voraus zu bewerten und nur die vielversprechendsten Lösungen zu testen. Dies macht Simcenter STAR-CCM+ zu einem weithin akzeptierten Tool für die Konstruktion und die Entwicklung von Rennwagen, das Windkanaltests ergänzt. Angesichts des rasanten Wachstums der Computerressourcen scheint es wahrscheinlich, dass CFD das Versprechen hat, sich als digitaler Windkanal anzubieten, der die physischen Tests in den kommenden Jahren ersetzen kann, wenn sich die Wissenschaft hinter CFD verbessert und Computer noch leistungsfähiger werden.

Yamamoto erläutert die Beiträge von Simcenter STAR-CCM+ und die Vorteile, die diese Methode im Vergleich zu Windkanaltests in der aerodynamischen Entwicklung bietet: „Bei der Anbringung von Kleinteilen am Auto zum Beispiel reicht der Windkanaltest allein nicht aus, um die Auswirkungen dieser Teile auf die Rückseite zu bestimmen, insbesondere dort, wo die Auswirkungen auftreten und ob Abtrieb erzielt wurde oder nicht. Die Verwendung von Simcenter STAR-CCM+ bietet jedoch wertvolle Einblicke in das Strömungsverhalten. GT-Fahrzeuge werden von Jahr zu Jahr komplexer. Auch die Zahl der komplizierten Geräte nimmt zu, so dass es immer schwieriger wird, die Arbeit allein aufgrund von Erfahrung zu erledigen. Hier kommt Simcenter STAR-CCM+ ins Spiel.“

CFD inspiriert NISMO

Jeder Aerodynamik-Konstrukteur in der Rennwagenentwicklung hat zwei Hauptanliegen: die Erzeugung von Abtrieb, um die Reifen des Autos auf die Strecke zu drücken und zu verhindern, dass sie in Kurven aufgrund von Fliehkräften abrutschen, und die Minimierung des Luftwiderstands, der durch Turbulenzen verursacht wird und das Auto verlangsamt. Je schneller das Auto fährt, desto mehr Unterdruck entsteht unter dem Auto und sorgt für Abtrieb.

Andererseits steigt mit einer höheren Geschwindigkeit auch der Luftwiderstand, was nicht wünschenswert ist. Normalerweise ist das ideale Setup, die maximale Menge an Abtrieb für den geringsten Luftwiderstand zu erzeugen. Die Entscheidung, ob man ein Aero-Paket entwickelt, das ausgewogen ist oder sich in Richtung einer dieser beiden Kräfte neigt, hängt jedoch stark von der Strecke und dem Zustand ab. Eine Strecke mit engen Kurven erfordert ein Auto mit höherer Abtriebskonfiguration, um besser durch die Kurven zu gelangen. Aber auf Strecken mit einer langen Geraden und weiten Steilkurven wie beim Speedway ist weniger Abtrieb erforderlich.

Es können höhere Geschwindigkeiten gefahren werden, wodurch die Reduzierung des Luftwiderstands von größerer Bedeutung ist. Im Jahr 2011 begann Yamamoto bei NISMO mit der Entwicklung eines Aero-Pakets mit widerstandsarmen Spezifikationen, das die hohe Geschwindigkeit verbesserte, während vor diesem Jahr alle Verbesserungen darauf abzielten, den Abtrieb zu erhöhen und gleichzeitig das Widerstandsniveau beizubehalten. Eine der Initiativen, die hinter der Auswahl der Low-Drag-Spezifikation standen, war die Vorbereitung eines Aerodynamik-Pakets, das speziell für den Fuji Speedway im Jahr 2012 entwickelt wurde. Aufgrund der langen Geraden konnte die Rundenzeit durch die Reduzierung des Luftwiderstands deutlich verkürzt werden.

Nach den Spezifikationen für den geringen Luftwiderstand für 2013 wurde der vordere Kotflügel entlang der Linien einer Steilwand konfiguriert (Abbildung 1). Das Ergebnis war eine extrem markante Frontmaske für die Fahrzeuge. Yamamotos Team führte eine erste CFD-Simulation mit Simcenter STAR-CCM+ durch, um die potenziellen Bereiche zur Verringerung des Luftwiderstands zu ermitteln, und sie fanden heraus, dass der Druck auf den Kotflügelbereich im Vergleich zu ihrer vorherigen Konstruktion aus dem Jahr 2012 geringer ausfiel (Abbildung 2). Yamamoto erklärt: „Als Ergebnis der CFD-Analyse haben wir festgestellt, dass der vordere Kotflügel ein effektiver Bereich ist, um den Luftwiderstand zu reduzieren. Nach den Vorschriften bestand die einzige Möglichkeit einer Erweiterung dieses Bereichs in einer vertikalen Ausdehnung. Als wir das versuchten, waren die Ergebnisse wie erwartet positiv.“

Zuvor hatten sie versucht, den Luftwiderstand durch Rundung der Konfigurationen zu eliminieren, aber mit Hilfe von CFD verstand das NISMO-Team, dass es möglich war, diesen Widerstand zu reduzieren, ohne die Form dahingehend zu optimieren. Sie haben diesen Ansatz als „aerodynamic harnessing modulation“ in ihrem Modell von 2014 vorgestellt. Gemeint ist damit die Leistungsverbesserung durch den geschickten Einsatz von Druckdifferenzen, die nur mit CFD durchgeführt werden kann.

Yamamoto unterstreicht die Auswirkungen von CFD in ihrer neuen Errungenschaft und fährt fort: „Messungen können auch in Windkanälen durchgeführt werden, aber die Visualisierung, die notwendig wird, ist über das gesamte Fahrzeug schwer zu erreichen. CFD ist ein effektives Tool, um die Karosserie als Ganzes zu betrachten.“

Obwohl CFD das Team von Yamamoto durch wertvolle Einblick in das gesamte Entwicklungskontinuum zu einer besseren Konstruktion geführt hat, wurde es bisher eher in einer ergänzenden Rolle als Ersatz für die Arbeit im Windkanal eingesetzt. Er erklärt: „Einer der Bereiche, in denen es noch Raum für Verbesserungen gibt, ist die Bewertung von Teilen, die in der Nachlaufströmung der vorderen Teile liegen. Ein typisches Beispiel dafür sehe noch immer in der Beurteilung des Reifennachlaufs. Abgesehen von der Nachlaufströmung haben wir auch beim Heckdiffusor und anderen Rückdruckgradienten keine 100 Prozent zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt. Wenn uns das gelingt, bin ich zuversichtlich, dass die Zeit kommen wird, in der wir keine Windkanäle mehr brauchen.“

Anwendung von Technologien aus dem Motorsport

Bei der Fahrzeugentwicklung des GT500 geht es darum, die Essenz verschiedener Technologien zu bündeln. NISMO bündelt als eigenständige Performance-Marke das im Motorsport erworbene Know-how bei der Entwicklung kommerziell vermarkteter Fahrzeuge wie GT-R NISMO, JUKE NISMO und anderer Nissan-Hochleistungsfahrzeuge.

„Mit sportlich orientierten Modellen bringen wir unter dem Namen 'NISMO‘ unser Rennwagen-Know-how in die Entwicklungsarbeit ein. Das wichtigste Verkaufsargument bei diesen Fahrzeugen ist die hohe Leistung“, sagt Yamamoto. „Bei jedem Auto, das den Namen NISMO trägt, wird die Aerodynamik von NISMO-Ingenieuren entwickelt, was bedeutet, dass ich auch persönlich in die Arbeit eingebunden bin.“

Im Jahr 2014 wurde das Reglement der SUPER GT an das Deutsche Tourenwagen Masters angeglichen und umfassend überarbeitet. Aus diesem Grund wurde es notwendig, die Entwicklungsarbeit mit jeder der neuen Verordnungen abzustimmen.

„Da 2014 zum ersten Mal ein in die DTM integriertes Reglement zum Einsatz kam, konnten wir nicht sagen, welches der verschiedenen Regeln Vor- oder Nachteile für GT-Fahrzeuge bietet“, sagt Yamamoto. „Heute haben wir die Details in dieser Hinsicht im Großen und Ganzen ausgebügelt. Wir wissen beispielsweise, dass das Know-how für die Oberseite der Außenflächen im Großen und Ganzen einheitlich ist, so dass es eigentlich keine Unterschiede im Zusammenhang mit den geänderten Vorschriften gab.“

Deflektor am hinteren Kotflügels hat einen kurzen Auftritt

Das Reglement für das zweite Fuji-Rennen im Jahr 2012 sah vor, dass es den Konstrukteuren freistand, die Konstruktion des hinteren Kotflügels zu optimieren. Seitdem ist dies ein Standard für alle Formel-1-Rennen. Nach der Reglementänderung brachte NISMO Deflektoren mit Flügelquerschnitt am hinteren Kotflügel an (Abbildung 5). Primäres Ziel war laut Yamamoto, ein auffälliges äußeres Erscheinungsbild zu schaffen, das in der Formel 1-Serie präsentiert werden kann.

Neben seinem markanten Erscheinungsbild trug er auch positiv zur Performance des Heckflügels bei. Wie in Abbildung 5 (oben) zu sehen ist, zeigten die CFD-Ergebnisse, dass der Luftstrom, der von der Radlauflippe am vorderen Kotflügel aufgewühlt wurde, das Abbrechen am hinteren Kotflügel und an der Oberseite des Kofferraumdeckels verringerte. Wie in Abbildung 5 (unten) dargestellt, veränderte die Hinzufügung des Deflektors am hinteren Kotflügel das Strömungsmuster und verbesserte die Strömungsbefestigung in Richtung Kofferraumdeckel. Dies trug letztendlich dazu bei, den Luftwiderstand zu verringern und die Effizienz des Heckflügels zu verbessern.

Bemerkenswert ist jedoch, dass das auf dem Kopf stehende Flügelprofil des Deflektors an bestimmten Stellen in der Nähe der Vorder- und Rückseite und der Mitte des Fahrzeugs Auftrieb erzeugt. Daher haben die Deflektoren den Abtrieb nicht verbessert. Aber das Aerodynamik-Team genehmigte die Ergänzung, da sie den Luftwiderstand reduzierte und somit die Gesamtleistung des hinteren Kotflügels verbesserte. Die zuständigen Verbände wie die Grand Touring Association (GTA) sahen die neu montierten Deflektoren jedoch in anderem Licht. Die GTA betrachtete den hinteren Kotflügel als zweiten Flügel, wobei das Reglement nur einen Flügel erlaubte. Das Teil landete daher nach der offenen Inspektion wieder im Regal und war schnell vergessen.

Konkurrenzkampf auf höchstem Niveau

NISMO wurde 2014 Serienmeister. Die Aerodynamik-Konstrukteure von NISMO nutzten die Synergie zwischen Simcenter STAR-CCM+-Ergebnissen und Windkanaltests, um die optimale Spezifikation für einen geringen Luftwiderstand zu erreichen. Die Rennwagenentwickler bei NISMO verwenden Simcenter STAR-CCM+ weiterhin als unverzichtbares Werkzeug in ihrem Entwicklungsprozess, da es eine genaue Vorabbewertung, einen tieferen Einblick in ein maßstabsgetreues Modell und die Möglichkeit bietet, so viele Konfigurationen wie möglich zu bewerten.

Im Anschluss an das Interview für diesen Artikel kündigte das Unternehmen seine Pläne für die Teilnahme am 24-Stunden-Rennen von Le Mans an, was den Bedarf an CFD in der Fahrzeugentwicklung weiter anheizt. Daher wird Simcenter STAR-CCM+ von NISMO erneut eingesetzt, um auf höchstem Niveau konkurrenzfähig zu sein.