Ein Wettlauf mit der Zeit

Ein Wettlauf mit der Zeit

Die Motor Sports Unit Development Division (MSUDD) der Toyota Motor Corporation nutzt seit vielen Jahren die Software STAR-CD und die Software Simcenter STAR-CCM+ für die Entwicklung von Rennfahrzeugen in einer Vielzahl von Top-Motorsportkategorien. Die Abteilung betreibt täglich Forschung und Entwicklung (F&E) an Rennwagen im Higashi-Fuji Technical Center des Unternehmens, das sich am Fuße des Berges Fuji befindet.

Eine der Aufgaben des MSUDD ist die Entwicklung von Fahrzeugen für die FIA-Langstrecken-Weltmeisterschaft, zu der auch die 24 Stunden von Le Mans gehören. Darüber hinaus betreibt das Unternehmen Forschung und Entwicklung an Motoren und Autos für heimische (japanische) Rennserien wie die Super-Formula- und Super-GT-Serie. Die MSUDD-Manager Yuichiro Kato und Teppei Hojo betrachten Computer-Aided Engineering (CAE) und Computational Fluid Dynamics (CFD) als entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung von Rennwagen des Unternehmens.

Ein Team, das sich an drei wichtigen Prinzipien orientiert

MSUDD orientiert sich bei der Konzeption und Entwicklung von Fahrzeugen, die sowohl schnell als auch optisch ansprechend sind, an drei Prinzipien. CAE/CFD unterstützt alle drei Bereiche: Beschleunigung der Entwicklung fortschrittlicher Automobiltechnologien durch die Teilnahme an Rennen, Gewinnung neuer Rennsportfans durch Enthusiasmus bei Herausforderungen in schwierigen und unbekannten Technologien und Erweiterung des Spektrums von Autoliebhabern durch Organisation von Veranstaltungen und anderen Gelegenheiten zur Vermittlung der Inspiration des Autofahrens und der von Autos ausgehenden Faszination.

Das Motorenteam von Kato ist für die Leistung und Zuverlässigkeit von Motoren und Hybridkomponenten verantwortlich und nutzt CAE/CFD für die Auslegung des Antriebsstrangs und die Entwicklung neuer analytischer Technologien. Das Aerodynamikteam von Hojo ist in erster Linie für die Entwicklung der Fahrzeugaerodynamik zuständig und nutzt dabei CFD. Das CAE/CFD-Team innerhalb des MSUDD besteht aus etwa 15 Personen. Angesichts der begrenzten Zeit und Ressourcen, die einer so kleinen Gruppe zur Verfügung stehen, erfordert der Wettbewerb in der harten Welt des Rennsports eine technologische Standardisierung, die es dem Team ermöglicht, Analysearbeiten zu priorisieren, Nachbearbeitungspläne (Konstruktion, Test und Windkanäle) zu koordinieren und sicherzustellen, dass die Analyseergebnisse konsistent und wiederholbar sind.

Die Fahrzeugentwicklung ist ein Wettlauf gegen die Durchlaufzeit

In der Welt der Rennwagen sind die Entwicklungen für das nächste Jahr, die Vorbereitungen für das nächste Rennen und die Anpassung an die sich häufig ändernden Vorschriften äußerst wichtig. CFD kann somit einen wichtigen Beitrag leisten, indem es die Durchlaufzeit erheblich verkürzt.

„Rennwagen sind nicht wie Serienfahrzeuge, die über einen Zeitraum von mehreren Jahren reifen“, sagt Kato. „Auch wenn die äußere Form des zuletzt konstruierten Rennwagens identisch mit dem Auto aus dem Vorjahr aussieht, dürften die inneren Komponenten völlig anders sein. Das Team entwickelt quasi jedes Jahr ein komplett neues Auto. Bei einer so schnellen Abwicklung müssen die Zuverlässigkeit und Leistung der Elemente, einschließlich der äußeren aerodynamischen Form und des Motors, sichergestellt werden, bevor das Auto überhaupt gebaut wird. Der herkömmliche Ansatz bestand darin, einen sich wiederholenden Prozess des Prototypenbaus und -tests zu durchlaufen, aber jetzt sind wir in der Lage, gründliche analytische Bewertungen durchzuführen, bevor auch nur ein einziges Teil hergestellt wurde.“

Die aerodynamischen Designs der Le-Mans-Fahrzeuge werden gemeinsam mit der Toyota Motorsport GmbH (TMG) mit Sitz in Deutschland entwickelt. Während der Teilnahme von Toyota an der Formel 1 standen Windkanäle im Mittelpunkt der Entwicklungsbemühungen, und CFD spielte eine ergänzende Rolle. Heute ist CFD jedoch für Konzepttests von entscheidender Bedeutung und äußerst wichtig bei der Visualisierung von Strömungen und der Entscheidung über Fahrzeugdesignkonzepte. CFD spielt nicht nur eine Schlüsselrolle bei der Verkürzung der Entwicklungsdurchlaufzeit, sondern in den letzten Jahren auch für den eigentlichen Teileentwicklungsprozess.

„Da es keine Zeit gibt, ein echtes Auto in einen Windkanal zu stellen, um zwischen den Rennen Anpassungen vorzunehmen, und weil die Möglichkeiten für Tests auf der Rennstrecke begrenzt sind, entsteht ein Prozess, bei dem Designelemente schnell von CFD auf tatsächliche Fahrzeuge übertragen werden, wodurch die Wichtigkeit der CFD-Ergebnisse zunimmt“, erklärt Hojo. „Es besteht ein wachsender Bedarf, Entscheidungen auf der Grundlage erster Tests zu treffen. Die Leistung des Fahrzeugs vom ersten Test an entscheidet also über die Wettbewerbsfähigkeit eines Fahrzeugs während der Saison.“

Von besonderer Bedeutung sind heute Technologien, die es Konstrukteuren ermöglichen, die Leistung von Fahrzeugen und Bauteilen in der Konstruktions- und Entwicklungsphase zu verbessern, bevor die Fertigung beginnt. Der Einsatz von CAE/CFD-Technologien wie Simcenter STAR-CCM+ ist angesichts der sehr anspruchsvollen Entwicklungspläne und -prozesse der Branche unerlässlich, um dies zu ermöglichen.

Anwendung von Rennwagentechnologien auf Serienfahrzeuge

Für die Automobilhersteller besteht der Hauptzweck der Teilnahme am Motorsport neben dem Werbeeffekt darin, fortschrittliche Technologien schnell zu entwickeln. Besonders wichtig ist, dass Unternehmen in der Lage sind, technologisches Know-how aus der Rennwagenentwicklung intern einzusetzen, zu teilen und in die Entwicklung von Serienfahrzeugen einfließen zu lassen.

Die Mission von MSUDD ist es, fortschrittliche Technologien durch Rennaktivitäten zu entwickeln und bei der Anwendung dieser Technologien auf Serienfahrzeuge zu helfen. Diese Abteilung trifft sich regelmäßig mit den Abteilungen für Produktionsfahrzeuge im Unternehmen, wodurch ein wechselseitiger Wissensaustausch und Diskussionen ermöglicht werden. Der Austausch betrifft nicht nur Informationen über analytische Technologien, sondern auch über aerodynamische Technologien, wie z. B. Methoden zur Strömungskontrolle.

Die aerodynamische Entwicklung im Motorsport vollzieht sich in einem extrem schnellen Tempo, was bedeutet, dass das beste Ergebnis in kürzester Zeit erreicht werden muss. So dauert beispielsweise der CFD-Konstruktionsdurchgang für ein einzelnes Entwicklungsteil etwa zwei Wochen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in diesem Zusammenhang darin, dass in dieser Zeit möglichst viele Berechnungen durchgeführt werden und ob daraus eine gute Lösung gefunden wird. Aus diesem Grund werden in erster Linie stationäre Berechnungen verwendet, obwohl die tatsächliche Fahrzeugaerodynamik instationäre Phänomene und extrem komplexe Strömungen beinhaltet. Daher ist es wichtig, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit zu finden.

„Es ist extrem schwierig, die gegensätzlichen Kräfte der Berechnungsgenauigkeit und der verkürzten Durchlaufzeiten auszubalancieren“, stimmt Hojo zu. „Da wir ständig unter dem Druck stehen, die Leistung durch die Entwicklung neuer Teile zu verbessern, ist dies einer der schwierigsten Bereiche. Einen effizienten Weg zu finden, um instationäre Berechnungen während eines zweiwöchigen Entwicklungszyklus zu verwenden, würde helfen, dieses Problem zu lösen.“

„Bei Motoren standen wir in der Vergangenheit vor Herausforderungen in Bezug auf die Rechengenauigkeit“, fügt Kato hinzu. „Es ist jedoch möglich geworden, eine starke Korrelation zwischen Simulationen und realen Tests zu erreichen. Heute zeigen die meisten Verbesserungen, die wir umgesetzt haben, den gewünschten Effekt auf der Strecke. Wir sind derzeit sehr zufrieden mit dem, was wir mit Simcenter STAR-CCM+ erreichen können. Wir treiben weitere Effizienzsteigerungen durch zusätzliche Automatisierung in Kombination mit Optimierungen voran.“

Virtuelle Ergebnisse in der Realität testen

Im Gegensatz zur Formel 1 gibt es in Le Mans kein Reglement, das die Zeit für Windkanaltests einschränkt. Endgültige Entscheidungen werden anhand der Ergebnisse von Windkanaltests getroffen, aber CFD ist für eine effiziente Entwicklung unter Bedingungen begrenzter finanzieller Ressourcen und Zeit unerlässlich.

Die Hauptprobleme, die bei der Durchführung von Konstruktion und Entwicklung mit Schwerpunkt CFD auftreten, sind Fragen der Zuverlässigkeit oder Genauigkeit. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, den Simulationsansatz zu validieren, indem die Korrelation zwischen Windkanaltests und CFD-Ergebnissen überprüft wird. Dazu werden aerodynamische Werte wie Abtriebs-, Widerstands- und Flächendruckverteilungen mit experimentellen Ergebnissen wie Kraftmessungen und Particle Image Velocimetry (PIV) verglichen. Da Windkanäle tatsächliche Bedingungen simulieren, werden ihre Ergebnisse als Standard behandelt, anhand dessen die in der Analyse verwendeten Netzauflösungs- und Berechnungseinstellungen angepasst werden können. Dazu wird in der Regel eine sehr große Anzahl von Rechenfällen ausgewertet.

Das Aerodynamikteam führt auch Messungen an realen Fahrzeugen durch. Aerodynamische Werte wie der Abtrieb können während der Fahrt auf der Strecke ermittelt werden und Vergleichsdaten mit Windkanal- und CFD-Ergebnissen liefern. Wenn es Ungereimtheiten gibt, prüfen die Konstrukteure, wie die Windkanaltests und CFD-Modelle verbessert werden können. Es gibt Fälle, in denen Verbesserungen der CFD-Genauigkeit in einem sehr kurzen Zeitrahmen (rechtzeitig für die nächsten Windkanaltests und -rennen) implementiert werden müssen, während andere Verbesserungen mittel- bis langfristig vorgenommen werden können.

Das Motorenteam führt strenge Bewertungen durch, bevor sie einen Motor in ein tatsächliches Fahrzeug einbaut, und baut nur die effektivsten Teile auf der Grundlage ihrer Ergebnisse ein. Daher wird während des Rennens nur wenig ausgewertet. Unregelmäßigkeiten, unabhängig davon, ob sie eine sofortige Reaktion erfordern oder sich erst mittelfristig beheben lassen, können schnell erkannt werden.

Alles in einem Skript aufzeichnen und anwenderfreundlich gestalten

Kato teilt seine Meinung zu den CD-adapco Produkten und Dienstleistungen von Siemens PLM-Software: „Aus meiner Erfahrung mit verschiedener CFD-Software in der Vergangenheit kann ich Folgendes sagen: Da die meisten Funktionen in Simcenter STAR-CCM+ und STAR-CD über Skripte verwaltet werden können, ist es nicht erforderlich, die grafische Benutzeroberfläche zu öffnen. Es ist extrem einfach, in Batch-Prozessen ausführbare Operationen zu definieren, wodurch nahtlos Verbindungen zu Optimierungs- und anderen externen Softwareanwendungen ermöglicht werden. Mit reinen Fluidberechnungen kommt man heute nicht weit. Die Anwendungen von Siemens Digital Industries Software sind in Verbindung mit den verschiedenen Anwendungen aus vor- und nachgelagerten Prozessen extrem einfach zu bedienen. Es ist auch sehr praktisch, dass das Skript für jeden lesbar ist, der es öffnet.“

Auch im Bereich der Aerodynamik wird alles mit einem Skript ausgeführt, einschließlich der Erstellung von Analysemodellen. Das Feedback zeigt, dass dies extrem anwenderfreundlich ist, wenn die Konstrukteure damit vertraut sind. In der Aerodynamik ist die Datenverarbeitung seit der Einführung von STAR-CD vollständig automatisiert. Mit Simcenter STAR-CCM+ sind auch die anschließenden Phasen vollständig automatisiert. Bei der Durchführung von Analysen ist es äußerst wichtig, dass alles standardisiert ist, damit keine zufälligen Schwankungen der Analyseergebnisse durch einzelne Konstrukteure eingeführt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Analyseergebnisse nicht unterscheiden, selbst wenn neue Mitglieder einem Team beitreten. Da im Skript alles vollständig automatisiert ist, wird außerdem eine interne Schulung angeboten, um sicherzustellen, dass die Mitglieder das Skript verstehen. Dies verhindert, dass der Prozess zu einer Blackbox wird, und ermutigt neue Teammitglieder, wichtige Fähigkeiten für den Erfolg zu erwerben.

Kato schätzt auch den technischen Support, den das Team als langjährige Nutzer von CD-adapco-Produkten erhalten hat. „Das technische Support-Team reagiert sehr schnell“, berichtet er. „Wenn man an einen ausländischen Dienstleister denkt, könnte man erwarten, dass das japanische Büro als bloßer Relaispunkt behandelt wird und der Inhalt in einem Rohformat gesendet wird, ohne vollständig verstanden worden zu sein, aber das Niveau der Dienstleistungen war auf dem Niveau eines inländischen Anbieters.“ Hojo fährt fort: „Die analytischen Methoden sind vollständig etabliert, aber wir hoffen, dass wir gemeinsam an technologischen Entwicklungen arbeiten können, um die Entwicklungsschleife zu beschleunigen.“