Simulation in allen Bereichen

München. Fahrzeugentwickler müssen mit immer mehr Bällen jonglieren. Fahrzeugderivate basierend auf modularen Architekturen nehmen zu und gleichzeitig steigt die Komplexität durch neuartige Antriebskonzepte wie Elektrofahrzeuge oder Plug-in Hybride. „Dennoch müssen neue Architekturentscheidungen zu einem sehr frühen Entwicklungszeitpunkt getroffen werden“, verdeutlicht Raimund Siegert, Leiter Thermomanagement bei Daimler. Dabei sind die Anforderungen an die Genauigkeit in den vergangenen zehn Jahren deutlich gestiegen. „Aus einer punktuellen Simulationen, als unterstützende Entwicklungsleistung, ist heute eine umfassende digitale Erprobung geworden, die den Anspruch verfolgt, die Konzepte in allen relevanten Lastfällen zu beurteilen. Wir wollen eine möglichst hohe Verblockung zwischen den Derivaten sicherstellen und die Funktionalität optimieren. Auf Basis dessen treffen wir heute unsere Fahrzeug-Architekturentscheidungen“, ergänzt Siegert.

Dabei macht er drei große Trends aus: 1. Immer komplexere Materialkombinationen wie Stahl, Aluminium oder sogar Kohlefasern müssen im Verbund funktionieren. Nach dem Motto „das richtige Material am richtigen Ort“ werden dafür neuartige Material- oder Fügetechnikmodelle sowie die zugehörigen Materialkennwerte benötigt.

2. Daneben erweitert die Elektrifizierung der Antriebskonzepte das Simulations-Portfolio der Entwicklungsbereiche. „Die Herausforderung im Thermomanagement besteht beispielsweise darin, instationäre Fahrmanöver sowie komplexe Betriebsstrategien frühzeitig am Rechner festzulegen und damit den Aufwand im Kühlsystem zu minimieren“, erklärt Siegert.

3. Ein ganz neues Feld ist laut Siegert die multidisziplinäre Optimierung (MDO), bei der ein Optimum hinsichtlich verschiedener funktionaler Zielkonflikte gefunden werden soll - Gewichtsreduzierung im Rohbau und Gewährleistung einer hohen Crashsicherheit sowie aerodynamische Formoptimierung bei Ansprüchen an das Fahrzeugdesign.

Bei Volkswagen wurde seit den 80er Jahren der Umfang der Simulation im Rahmen der Konzeptentwicklung kontinuierlich ausgebaut. Simulation und Praxistests sind heute innerhalb der Komponenten und Gesamtfahrzeugentwicklung eng aufeinander abgestimmt. Grundsätzlich werden Simulationen in allen Entwicklungsbereichen eingesetzt um kosteneffizient zu arbeiten und der zunehmenden Komplexität gerecht zu werden. „Wir rechnen in Zukunft über alle Bereiche mit einer Zunahme der Simulationsanteile im Verhältnis zu den Praxistests, die jedoch weiterhin unerlässlich bleiben werden“, erläutert Heinz-Jakob Neußer, Mitglied des Markenvorstands Volkswagen, Geschäftsbereich Entwicklung, und Leiter Aggregateentwicklung des VW Konzerns.

Als Beispiel führt er den Bereich Fahrerassistenz an, wo Sensor- und Systemtests eine entscheidende Rolle spielen und Simulationen die praktischen Tests immer mehr unterstützen. Im Rahmen der zunehmend automatisierten Funktionen können dabei auch unrealistische aber unfallträchtige Fahrszenarien geprüft werden. Weiterhin lässt sich durch das Einspeisen von vorhandenen Daten im Hardwar-in-the-loop (HIL) die Absicherungstiefe immens erhöhen. Doch: „Neben all den Vorteilen der Simulation ist und bleibt aber der praktische Test auch zukünftig unerlässlich“, bekräftigt Neußer.

Auch bei Opel nimmt die Simulation in der Fahrzeugentwicklung eine zentrale Rolle ein und ist im Entwicklungsprozess in Form von Programm-Meilensteinen auch formal verankert. Das Bestreben ist, eine immer höhere Prognosefähigkeit zu erreichen und damit mit sehr reifen Konzepten in die Hardwaretests zu gehen. Aufgrund der steigenden Anforderungen hinsichtlich Masse und Verbrauch werden die Simulationsumfänge in allen Bereichen zunehmen, ist man in Rüsselsheim überzeugt. Hierbei kommt insbesondere der disziplinübergreifenden Optimierung eine immer größere Bedeutung zu, da hiermit auch gegenläufige Entwicklungsziele durch ein virtuelles Gesamtfahrzeugmodell simulativ ausbalanciert werden können.

Bei Opel werden wachsende Umfänge in folgenden Simulationsfeldern erwartet: Vehicle Dynamics (Gesamtfahrzeug, Dämpferauslegung, Anwendung der Reifenmodelle und anderes); Chassis Controls Regelsysteme (Entwicklung und Validierung von Derivaten); Active Safety - Integration der verschiedenen Regelkreise (detektieren, analysieren und Aktuatoren ansteuern); HIL/SIL als Tool zur Entwicklung von Kalibrierungen für die Prototypen-Phase.

„Zu den wichtigsten Trends in Sachen Simulation in der Fahrzeugentwicklung gehört zum einen die virtuelle Absicherung der Produktvielfalt und hier insbesondere Derivate, Baukästen und landesspezifische Ausführungen“, sagt Robert Nösner, Leiter CAE Automotive bei der Altran-Tochter IndustrieHansa. Hinzu komme die Materialvielfalt - Stichwort Leichtbau und neue Anforderungen an die Sicherheit. Zudem geht es beim Simulations-Daten-Management um die Bewältigung der Informationsvielfalt und die vollständige CAE-Prozess-Integration.

„Ohne Simulationswerkzeuge ist Fahrzeugentwicklung heute nicht mehr denkbar. Der Fortschritt in den Simulationsdisziplinen hat den Trend der schnellen Produktfolgen zu einem wesentlichen Teil mitgestaltet oder überhaupt ermöglicht - bei gleichzeitiger Beherrschung immer komplexerer Produktanforderungen“, macht Nösner deutlich. Nur mittels prognosefähiger Simulationsverfahren ist die zunehmende Derivatevielfalt in Produkte zu wettbewerbsfähigen Kosten umsetzbar, ist er überzeugt.

Für die nahe Zukunft erwartet die Technologieberatung einen wachsenden Bedarf bei Simulationen, um damit eine höhere Leichtbaugüte zu erzielen und den Insassen- und Fußgängerschutz zu verbessern. Auch beim Ausbau von HiL- und SiL-Anwendungen rechnen die Altran-Berater mit stärkerer Nachfrage. „Dabei wird es immer darauf ankommen, die enorme Datenflut zu beherrschen, die Erkenntnisse jederzeit mit dem Entwicklungsstand abgleichen zu können und an allen Entscheidungsstellen Informationen möglichst verlustfrei verfügbar zu machen“, so Nösner.

„Die zunehmende Bedeutung von Simulationen im Fahrzeugentwicklungsprozess hat auch große Auswirkungen auf die Zuliefererindustrie und Ingenieursdienstleister“, erklärt Daimler-Manager Siegert. Eine digitale Optimierung von Fahrzeugarchitekturen setze rechnerisch voroptimierte Komponenten voraus. „Ähnlich wie Zulieferer heute in der Hardware-Phase prototypische Erprobungsmuster bereitstellen, so benötigt die Fahrzeugentwicklung in Zukunft digitale Komponentenmodelle, die ohne großen Änderungsaufwand in die Gesamtfahrzeugmodelle beim Fahrzeughersteller integriert und digital erprobt werden können“, Siegert weiter. Softwarestände von Steuergeräten wie ESP, Klimasteuergerät oder der Motorsteuerung können in die Gesamtfahrzeugmodelle beziehungsweise HiL-Prüfstände eingebunden sein. Dazu müssen durchgängige modellbasierte Entwicklungsprozesse etabliert und standardisiert werden.

Ingenieursdienstleister und Hochschulen sind für Daimler dabei wichtige Partner bei der notwendigen Automatisierung der Modellerstellung und der Bereitstellung neuer physikalischer Modellierungsansätze, wie zum Beispiel Lebensdauermodelle für die mechanisch/thermische Beanspruchung von Komponenten oder dem dynamischen Verhalten neuartiger Fügetechniken.

„Die Entwicklungsgeschwindigkeit hat natürlich auch Auswirkungen auf unsere Entwicklungspartner. Auch hier ist die beschleunigte Entwicklung ohne Abstriche hinsichtlich Qualität, Zuverlässigkeit und Werthaltigkeit unabdingbar“, so VW-Markenvorstand Neußer. Insofern ist eine breitgefächerte Simulation und frühzeitige Abstimmung der Ergebnisse zwischen Volkswagen und den Entwicklungspartnern unerlässlich, betont der Manager.

In dem aufgeführten Beispiel Fahrerassistenz bedeutete dies für die Sensormodulentwicklung, dass abgestimmte Testschnittstellen innerhalb der Verarbeitungskette des Grundmoduls implementiert werden. Dies berücksichtigt ebenso, dass im Rahmen der zunehmenden Sensordatenfusion Softwaremodule unterschiedlicher Lieferanten zusammengeführt werden.

Bei Opel haben die veränderten Bedingungen in Punkto Integrationsleistungen ebenfalls Folgen für die Entwicklungspartner. Die Rüsselsheimer benennen hier die virtuelle Systemintegration. „Der System-/Komponentenlieferant muss eigene Fähigkeiten entwickeln, die Komponenten und Systeme hinsichtlich Konzept und Funktion virtuell zu validieren, um belastbare Prognosen im Gesamtfahrzeugmodell zu liefern.“ Immer komplexere Variantenvielfalt bedeutet komplexe Daten-Management und -Austauschformate. „Lieferanten müssen eigenständig robuste Methoden hierfür entwickeln“, so eine Forderung der Rüsselsheimer.

Entwicklungspartner stehen laut Opel vor der großen Herausforderung massen- und kosteneffiziente Lösungen zu entwickeln. Das lässt sich zum einen durch noch größere Integration an den Schnittstellen zwischen den Komponenten erreichen, zum anderen helfen Commonality Strategien, die Komponenten für mehr als ein Derivat kosteneffizient zu entwickeln. Das Querdenken über Systemgrenzen hinweg bei hoher Kompetenz im System selbst sieht der Autobauer als einen wesentlichen Schlüssel für den Erfolg. „Das erfordert eine vertrauens- und verantwortungsvolle Zusammenarbeit zwischen dem OEM und dem Entwicklungspartner.“

Doch in welchen Bereichen wollen die Fahrzeughersteller ihre Entwicklungskompetenz stärken und welche Dienstleistungen wollen Sie an die Entwicklungspartner ausgliedern? „Die Entwicklungskompetenz in der Simulation bei den Fahrzeugherstellern wird sich immer stärker auf die multidisziplinäre Optimierung im Gesamtfahrzeug konzentrieren. Die Wechselwirkungen zwischen Fahrkomfort und Fahrdynamik oder zwischen Aerodynamik und Thermomanagement, um nur zwei Beispiele zu nennen, setzt ein hoch integratives Arbeiten mit komplexen Simulationsmodellen voraus“, so Raimund Siegert von Daimler. Dabei werden Simulationsprogramme als Werkzeug verstanden, die eine digitale Erprobung des Fahrzeugs ermöglichen. Die Arbeit des Berechnungsingenieurs fokussiert sich zunehmend auf das Entwickeln von technischen Konzepten, das Bewerten der Funktionalität bis hin zur Freigabe der Erprobungswürdigkeit von Baustufen im Hardware-Prozess.

„Die Zusammenarbeit seitens der Zulieferer oder Entwicklungsdienstleister wird sich auf die Bereitstellung digital vorerprobter Komponentenmodelle sowie Lösungen bei der Automatisierung des Berechnungsprozesses und der Erweiterung der physikalischen Modellansätze fokussieren“, so die Einschätzung Siegerts.

„Auch wenn wir mit Entwicklungspartnern zusammenarbeiten, so ist es für Volkswagen auch mit sogenannten Systemlieferanten immer das Ziel, die gesamte Technologie eigenständig zu durchdringen und bewerten zu können“, erklärt der Leiter der VW-Aggregateentwicklung Neußer. Nur so sei der Einsatz modernster Technologie erfolgreich möglich. „Gerade in den letzten Jahren ist nicht nur im Bereich der Elektronik und der E-Mobilität viel Know-how hinzugekommen. Frühzeitig die Kompetenz auch zu neuesten Technologien im Bereich der Entwicklung aufzubauen ist das Ziel und, wie ich auch voller Stolz sagen kann, erfolgreich umgesetzt worden“, ergänzt der Manager.

„Integrierte Supplier werden wir in Zukunft noch früher in den Fahrzeugentwicklungsprozess einbinden und nutzen diese für viele komplexe Systeme in den Fahrzeugen, wie Fahrwerk, Lenkung, Tanksystem oder auch diverse Innenraumkomponenten, die als Gesamtsystem in das Fahrzeug integriert werden“, heißt es bei Opel. Die große Vielfalt der Derivate erfordert einen hohen Aufwand in der Auslegungs- und Konstruktionsphase. „Bei diesen Arbeiten unterstützen uns Ingenieurdienstleister, die entsprechend einem detaillierten Anforderungspaket komplexe Arbeitsumfänge gemeinsam mit unseren internen Ingenieuren bearbeiten“, so die Rüsselsheimer.

Doch auch die Entwicklungsdienstleister machen sich Gedanken darüber, in welchen Bereichen sie ihren Kunden, den Autoherstellern, künftig mehr Entwicklungsleistungen anbieten können. „Altrans Ziel ist es, Hersteller und Zulieferer langfristig in sämtlichen Innovations- und Entwicklungsbereichen (Antriebsstrang, Gesamtfahrzeug) über den gesamten Produktlebenszyklus zu unterstützen. Wir bieten insbesondere im Bereich von elektrifizierten Fahrzeugen und bei vernetzten Kommunikationstechnologien einen großen Mehrwert - vor allem, weil wir unser Know-how aus anderen Industrien, wie zum Beispiel dem Energie-Sektor oder der Telekommunikation mit in die Projekte einfließen lassen“, erklärt Robert Salzinger, Director Sales and Marketing Germany bei Altran. Das erhöhe die Kreativität bei der Erarbeitung von Lösungen ungemein.

Ein weiterer wesentlicher Punkt: Bei Baukastenstrategien gewinnt ein durchgängiges Qualitätsmanagement an Bedeutung. „Hier verdichten wir derzeit unsere jahrzehntelangen QM-Kenntnisse aus der Luftfahrt und prüfen, welche Prozesse sich mit bereits etablierten Prozessen in der Automobilbranche kombinieren lassen. Und auch in einem ganz anderen Bereich haben wir noch etwas zu bieten: Zunehmende Varianten erfordern einen höheren Automatisierungsgrad im Bereich Kalibrieren und Testen“, ergänzt Salzinger. „Mit unseren Near- und Offshore-Lösungen sind wir in der Lage, Aktivitäten in Best-Cost-Countries auszulagern - denn hier verfügen wir über schnell wachsende Engineering Center, welche den Herstellern enorme Zeit- und Kostenvorteile bieten“, ist er überzeugt.

Um für die künftigen Herausforderungen gewappnet zu sein wir Altran verstärkt im Bereich E-Mobility investieren sowie die Near- und Offshore-Entwicklungs-Center weiter ausbauen. „Unser Ziel ist es, führender Anbieter von E-Mobility-Entwicklungsdienstleistungen zu werden. Ebenfalls werden wir größere Projekte stärker in unseren Projektbüros, Werkstätten und Labors bearbeiten. Deshalb investieren wir in den nächsten Jahren in unsere Infrastruktur. Ein weiterer obligatorischer Pfeiler ist auch die kontinuierliche Aus- und Weiterbildung unserer Consultants“, erklärt Salzinger.