Fünffache Ausweitung der Anwendungen zur NVH-Vorhersage ohne physische Prototypen

Führend im Fahrzeugkomfort

Renault S.A. (Renault) ist seit der Gründung des Unternehmens im Jahr 1899 ein Pionier der Automobilbranche. Neben dem Fokus auf Leistungsvermögen und Zuverlässigkeit hat sich der Autobauer stets bemüht, ein möglichst komfortables und angenehmes Fahrerlebnis zu bieten.

Um ein Höchstmaß an Komfort zu bieten, müssen Geräusche, Schwingungen und Rauigkeit (Noise, Vibration and Harshness, NVH) von Fahrzeugen optimiert werden. Mit dem Aufkommen der Elektrifizierung übertönt der Motor wesentlich weniger Geräusche, sodass die NVH-Analyse und -Optimierung noch wichtiger wird.

Vor zwanzig Jahren hat Renault erkannt, dass Teams, die verschiedene Systeme in den Fahrzeugen entwickeln, enger zusammenarbeiten müssen, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Je früher im Konstruktionsprozess die Wechselwirkungen zwischen den Systemen verstanden und Änderungen vorgenommen werden können, desto besser. Andernfalls wird der Konstruktionsprozess zu teuer und zeitaufwendig.

Um dies zu ermöglichen, hat Renault das Projekt Virtual Synthesis in Acoustic (VISA) ins Leben gerufen. „Wir wollten eine Synthese für die Vorhersage des globalen Leistungsvermögens eines Fahrzeugs erstellen, indem wir separate Bauteile zusammensetzen“, erklärt Philippe Mordillat, NVH-Simulationsexperte bei Renault.

Teams zusammenbringen

Das VISA-Tool wurde entwickelt, um das NVH-Verhalten eines Fahrzeugs in jeder Phase des Entwicklungsprozesses zu bewerten. Ziel war es, eine modulare und systemgesteuerte Konstruktionsmethodik zu implementieren, um die Kluft zwischen den Konstrukteuren des Unternehmens und den externen Zulieferern zu überbrücken.

Es gab viele Herausforderungen, da die zu jenem Zeitpunkt verfügbare Software noch nicht so gut entwickelt war wie heute. So waren zwar Technologien zur Kopplung verschiedener Subsysteme auf der Grundlage von Übertragungsfunktionen (FRFs) vorhanden, doch es fehlten die richtigen Randbedingungen, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten. Zudem waren einfach keine Methoden vorhanden, um Geräusch- und Vibrationsquellen auf unveränderliche Art und Weise zu kennzeichnen.

Außerdem gab es eine klare Trennung zwischen Test- und CAE-Maßnahmen: Der abteilungsübergreifende Austausch von Daten und deren Wiederverwendung waren begrenzt. Dadurch wurde es schwierig, Datenbanken und verschiedene Bauteilmodelle flexibel mit dem Synthesetool zu verknüpfen. Auch Methoden für die komplexe Architektur von Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV), bei denen die Modelle der verschiedenen Subsysteme mit Randbedingungen aus der Steuerlogik zu verknüpfen sind, mussten erst noch entwickelt werden.

Laut Mordillat schränkte dies die Nutzbarkeit der Synthese- und Vorhersagemethode ein, die Renault zur Erweiterung des NVH-Spektrums benötigte. „Letztendlich betrafen 90 Prozent der von uns analysierten Anwenderfälle reine Bauteile, die nur schwach koppeln, z. B. weich montierte Bauteile und Anwendungen für Dröhngeräusche niedriger oder mittlerer Frequenz. Wir wollten die Anwendbarkeit der Methoden auf höhere Frequenzen wie Straßenlärm und Vorbeifahrgeräusche erweitern.“

Partnerschaft auf Expertenniveau

Der Wunsch von Renault, dieses Tool und seine internen Prozesse weiterzuentwickeln, führte zu einer strategischen Zusammenarbeit mit Siemens Digital Industry Software. Seit 2016 arbeiten beide Unternehmen gemeinsam an der Verbesserung der VISA-Plattform durch den Einsatz der Simcenter™ Testlab™ Virtual Prototype Assembly (VPA) Software, die Teil des Siemens Xcelerator-Portfolios ist, dem umfassenden und integrierten Portfolio aus Software, Hardware und Services.

Das Ziel dieser Partnerschaft war die Implementierung eines ganzheitlichen, unternehmensweiten Prozesses mit dem Ziel, das NVH-Leistungsvermögen eines montierten Fahrzeugs praktisch ohne physischen Prototyp zuverlässig zu bewerten. Dazu waren neue Methoden mit verbesserter Zuverlässigkeit und Vorhersagegenauigkeit erforderlich, wie zum Beispiel die Interaktion zwischen stark gekoppelten Bauteilen. Der Prozess musste in jedem Stadium der Entwicklung verfügbar sein und jede Test- oder CAE-basierte Datenquelle unterstützen, entweder intern oder von Zulieferern. Ferner sollte er von allen Renault-Ingenieuren – nicht nur von Simulationsexperten – angewendet werden können, sodass alle Teams das neue Tool in vollem Umfang nutzen können.

Um diese Herausforderungen zu meistern, kooperierten zwei Teams, Simcenter Engineering and Consulting Services und Simcenter Test and Engineering Services, an der Definition der Anwendungsfälle und der Anwendung der Methoden auf relevante Situationen.

Komponentenbasierte Transferpfadanalyse

Da Straßengeräusche nicht mehr von einem Verbrennungsmotor überdeckt werden, ist Geräuschquellen, etwa durch Reifen in Elektrofahrzeugen, mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Geräusche, die vom Kontakt zwischen Reifen und Straße ausgehen, werden typischerweise in einem breiten Frequenzspektrum abgegeben, kombinieren strukturelle und akustische Erregung und umfassen stark gekoppelte Subsysteme (die Felge ist mit der Achse verschraubt). Daher ist es für eine effiziente und synergetische Zusammenarbeit mit Reifenlieferanten entscheidend, über die richtigen Technologien zur Zerlegung der Quellen zu verfügen.

Die Spezialisten von Simcenter unterstützten Renault bei der Bereitstellung einer komponentenbasierten Transferpfad-Analyse (TPA), um die Geräuschquellen, die aus der Interaktion zwischen Reifen und Straße stammen, auf unveränderliche Weise zu identifizieren. Das Rad wird als unabhängiges Bauteil durch eine Reihe von Lasten auf dem Radmittelpunkt charakterisiert, die oft als blockierte Kräfte bezeichnet werden. Impedanzmatrizen in Form von 6 Freiheitsgraden (DOF) werden erfasst, um die Verbindungseigenschaften zwischen Felge und Spindel zu beschreiben.

Diese Daten sind das technische Rückgrat der Synthesemethode. Sie beschreiben sowohl das Bauteil, das die Geräusche und Vibrationen erzeugt, als auch die Art und Weise, wie dieses Bauteil mit den anderen Subsystemen verbunden ist und mit ihnen interagiert.

Diese neuen Funktionen sind nur ein Baustein des kompletten Toolsets, der jetzt mit Simcenter Testlab zur Verfügung steht, um die invarianten Bauteilmodelle für die zukünftige Verwendung in Baugruppen zu erfassen und zu validieren.

Darüber hinaus ermöglicht diese Kopplungstechnologie dem Erstausrüster und dem Zulieferer den Austausch von Daten über Produktdefinitionen und Know-how zusätzlich zu den üblicherweise ausgetauschten Daten über das Leistungsvermögen. Das bedeutet, dass sie gemeinsame Kriterien und Ziele für einzelne Bauteile, die dann in das Gesamtsystem integriert werden, festlegen und daran arbeiten können.

Vor allem besteht kein Vertraulichkeitsrisiko, da keine detaillierten Spezifikationen oder Geometrien ausgetauscht werden, sondern nur Kurven wie FRFs oder Lasten. So können Zulieferer virtuelle Baugruppen erstellen und die Auswirkungen der Konstruktion ihres Bauteils auf das gesamte NVH-Leistungsvermögen des Fahrzeugs überprüfen.

Erweiterung der Anwenderbasis und wachsende Datenmenge

Renault plant, diese Technologie auf breiter Basis für alle Teams und Standorte bereitzustellen. Im Zuge der zunehmenden Verwendung dieser Technologie wird Renault eine Datenbank mit Bauteilen und umfangreichen historischer Daten aufbauen, die sich für zukünftige Konstruktionen verwenden lassen.

Das Datenmanagement von Simcenter Testlab stellt sicher, dass sich diese Bauteile und Daten zentral speichern lassen, einfach zu durchsuchen sind und für die korrekte Wiederverwendung in Baugruppen dokumentiert werden. Bauteile lassen sich verwenden, um virtuelle Baugruppen zu erstellen und Berechnungen für verschiedene Anwendungsfälle und Kombinationen durchzuführen, auch von Anwendern, die die Modelle dieser Bauteile nicht entwickelt haben und nicht wissen, welche Daten sie enthalten.

Mordillat erklärt dieszüglich: „Simcenter Testlab VPA wird eingesetzt, damit Anwender über einen einfachen und standardisierten Prozess für ihre tägliche Arbeit verfügen, unabhängig davon, an welchem Standort oder an welchem Fahrzeugmodell sie gerade arbeiten.“

Zunächst werden etwa 50 Anwender bei Renault die Plattform nutzen, davon 25 CAE-Anwender, die eine aktive Rolle bei der Erstellung von Bauteilen spielen werden. Die Zahl der Anwender wird wachsen, da die Leistungsanalysen speziell auf die Bedürfnisse des Unternehmens zugeschnitten sind.

Maßgeschneiderte Analyse

Bei der Analyse von Vorbeifahrgeräuschen (PBN) benötigen Ingenieure beispielsweise eine zuverlässige Vorhersage, um die Vorschriften zum Schutz gegen Außenlärm zu erfüllen. Renault verfügte bereits über das Wissen und die Technologien zur Durchführung einer Geräuschsynthese während eines PBN-Ereignisses, aber diese wurden nicht reibungslos in die ursprüngliche VISA-Plattform implementiert, um den Prozess zu optimieren.

Siemens hat eine spezielle Anpassung der Verarbeitungsumgebung im Simcenter Testlab VPA Tool vorgenommen, die eine lückenlose PBN-Analyse unterstützt. Dies gibt den Renault-Konstrukteuren auch die Möglichkeit, eine Zerlegungsanalyse durchzuführen, Konfigurationen einfach zu vergleichen und die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen zu erkennen.

Dadurch ist es jetzt einfacher, Ziele für verschiedene Subsysteme festzulegen, den Außenlärm während der Entwicklung vorherzusagen und zu bestimmen, welche Verbesserungen notwendig sind, um die Schutzvorschriften zu erfüllen. Simcenter Testlab VPA ermöglicht auch eine bessere Zusammenarbeit zwischen NVH-Ingenieuren und der Softwareentwicklung, um die Auswirkungen der Fahrzeugsteuerung auf das NVH-Leistungsvermögen besser abzuwägen.

Kombinierte Innovationen für eine spannende Zukunft

Mordillat ist von den bisherigen Ergebnissen begeistert und freut sich auf die Zukunft. „Durch die Verwendung von Simcenter Testlab VPA hat sich die Zahl unserer Anwendungen für NVH-Vorhersagen verfünffacht“, sagt er. „Damit hat sich die Produktivität drastisch erhöht.“

Verbesserungen werden im gesamten Entwicklungsprozess deutlich, beginnend mit der Konzeptphase, in der sich historische Fahrzeugdaten als Ausgangspunkt für eine erste Zielkaskadierung zu den Subsystemen verwenden lassen. Dies wird bis zur Validierungsphase fortgesetzt, in der neue Bauteildaten für die Bewertung des Leistungsvermögens des Prototyps zur Verfügung stehen. Während der gesamten Entwicklung unterstützt Simcenter Testlab VPA den schrittweisen Austausch von historischen und Referenzdaten durch neue Konstruktionsdaten, die den Bibliotheken zur zukünftigen Verwendung zugefügt werden.

Renault erhofft sich zudem, die Verwendung von Simcenter Testlab VPA mit seiner GREEN-Plattform zu kombinieren – als Ergebnis einer weiteren erfolgreichen Zusammenarbeit mit Siemens. Dies ist besonders nützlich für Hybrid-Elektrofahrzeuge, bei denen sowohl die Hardware- als auch die Software-Steuerung zu bewerten ist. CAE-Ingenieure entwickeln Modelle in der GREEN-Softwareumgebung, die auf der Simcenter Amesim™-Software basiert, während Messspezialisten messbasierte Bauteile mit Simcenter Testlab erstellen. Letztere werden in der Simcenter Testlab VPA-Plattform kombiniert, um die Baugruppen für die Lärmprognosen zu erstellen.

Letztendlich wird Renault durch den Einsatz von Simcenter Testlab VPA in der Lage sein, die Auswirkungen von Konstruktionsänderungen anhand virtueller Modelle vorherzusagen und den Umfang der erforderlichen physischen Tests zu reduzieren. Mordillat: „Der Einsatz von Simcenter Testlab VPA ermöglicht es uns, die Anzahl der verwendeten Prototypen zu verringern, indem wir die Qualität unserer Vorhersagefunktionen in der virtuellen Phase erhöhen.“

Während Renault seine Bauteil- und Datenbibliothek erweitert, wird der Wert der Simcenter Testlab VPA-Plattform weiter steigen und das Datenmanagementsystem wird die Einführung zukünftiger Prozesse ermöglichen, wie z. B. die Verwendung von künstlicher Intelligenz (KI) zur Analyse großer Datenmengen.

Mordillat ist davon überzeugt, dass die Verbindung zwischen Simcenter Testlab VPA und dem Simcenter Testlab Vehicle NVH-Simulator sehr leistungsfähig sein wird und es ermöglicht, die Geräuschentwicklung des Fahrzeugs subjektiv zu bewerten. „Mit der Verbesserung des digitalen Zwillings wird es möglich sein, zu überprüfen, wie eine Änderung der Konstruktion die subjektive Geräuschwahrnehmung verändert. Der NVH-Simulator wird Teil einer Multi-Attribut-Bewertung sein, bei der auch andere Elemente wie Algorithmen zur aktiven Geräuschunterdrückung und der Fahrstil gleichzeitig bewertet werden.“

Bei fahrerlosen Fahrzeugen wird die Reduzierung der Geräuschentwicklung in der Fahrzeugkabine eine bessere Synergie mit den Audio- und Infotainmentsystemen des Fahrzeugs schaffen. Da Anwender die Fahrzeuge nicht mehr selbst lenken, wird es vor allem auf den Komfort ankommen. Dank dieser Partnerschaft mit Siemens wird Renault in der Lage sein, ein Höchstmaß an Komfort zu bieten, ohne den Zeit- und Kostenrahmen zu überschreiten.