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• Der SCAIMapper vermittelt als Datendolmetscher zwischen den Simulationsdomänen© Fraunhofer SCAI
  
• Der SCAIMapper vermittelt als Datendolmetscher zwischen den Simulationsdomänen© SCAI
  
• Die grafische Benutzungsoberfläche erleichtert das Einlesen, Mappen und Exportieren der Simulationsmodelle© SCAI
  
• Die grafische Benutzungsoberfläche erleichtert das Einlesen, Mappen und Exportieren der Simulationsmodelle© SCAI
  
• Dehnungen und Spannungen im Bauteil werden in den Crashversuchen bis ins Detail mit berücksichtigt© SCAI
  
• Dehnungen und Spannungen im Bauteil werden in den Crashversuchen bis ins Detail mit berücksichtigt© SCAI
  
• Darstellung des Einflusses der Herstellungsprozesse auf die Materialdicke© SCAI
  
• Darstellung des Einflusses der Herstellungsprozesse auf die Materialdicke© SCAI
  
• In virtuellen Crashs werden die Ergebnisse aus Herstellungssimulationen der Bauteile frühzeitig überprüfbar© SCAI
  
• In virtuellen Crashs werden die Ergebnisse aus Herstellungssimulationen der Bauteile frühzeitig überprüfbar© SCAI
  
• Der SCAIMapper vermittelt als Datendolmetscher zwischen den Simulationsdomänen© SCAI
  

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Innovationsgrad

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Marktreife2011

Mit virtuellen Crash-Tests prüfen Fahrzeugentwickler die Sicherheit neuer Modelle bereits lange bevor der erste Prototyp auf Rädern vor ihnen steht. Um jedoch das reale Crash-Verhalten von Bauteilen zuverlässig vorausberechnen zu können, muss deren Herstellungshistorie, also die Veränderungen der Materialeigenschaften während des Herstellungsprozesses, berücksichtigt werden. Die Softwarelösung SCAIMapper des Fraunhofer SCAI sorgt dafür, dass Ergebnisse aus Herstellungssimulationen auch von Crash-Simulatoren verstanden und verwendet werden.

Oskar musste ran. Mit 55 km/h, ohne Sicherheitsgurt, Seitentür oder andere Schutzmaßnahmen fuhr er mit seinem Mercedes-Benz W 111 gegen eine 17 Tonnen schwere Barriere aus alten Presswerkzeugen. Vor über 50 Jahren war das, am 10. September 1959. An diesem Tag führte Mercedes-Benz den ersten Crash-Test seiner Geschichte durch. Oskar wurde dafür eigens aus den Vereinigten Staaten eingeflogen, denn Crash-Test-Dummies waren Mangelware im schwäbischen Sindelfingen. Deshalb mussten sich die Sicherheitsingenieure damals auch mit Sandsäcken und Schaufensterpuppen behelfen. Doch trotz des unvollständigen „Personals“ gilt jener 10. September heute als Geburtsstunde moderner und richtungsweisender Sicherheitstests. Denn von diesem Tag an führten immer ausgefeiltere Crash-Versuche zu immer aussagekräftigeren Ergebnissen. Der Insassenschutz wurde so Stück für Stück verbessert. Seit dieser Zeit heißt es bei jedem Automobilhersteller und den meisten Zuliefern schlicht: „Tausend Mal zerstört… tausend Mal ist nichts passiert“.

So weit, so gut, so teuer. Laut Prof. Dr. Erich Schelkle, Leiter des Automotive Simulation Center Stuttgart, liegt die Zahl derartiger Real-Crash-Tests in Deutschland auch heute noch im dreistelligen Bereich. Parallel dazu haben jedoch virtuelle Crash-Tests an Bedeutung gewonnen. Denn Crash-Simulationen ermöglichen es den Fahrzeugentwicklern, jedes neue Modell bereits während der Konstruktionsphase am Computer in den Härtetest zu schicken. Sicherheit und Funktion jedes einzelnen Bauteils sind also bereits im Entwicklungsprozess berechenbar.

Rund 10.000 mal ist ein Fahrzeug derzeit in einen virtuellen Unfall verwickelt, bevor es in der Crash-Halle seine letzten (realen) Sicherheitstests bestehen muss, um den allgemeinen gesetzlichen Standards und den hauseigenen Sicherheitsanforderungen der Hersteller zu entsprechen.

Unverzichtbar sind die virtuellen Crash-Versuche vor allem, wenn es darum geht, neue Materialien auszutesten und neue Bauteildesigns für die heutzutage angestrebte Leichtbauweise zu erforschen. Vorrangiges Ziel dabei ist es, das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren und sie damit umweltfreundlicher zu machen, ohne, dass sie an Sicherheit einbüßen. Dabei sind detaillierte Kenntnisse von Materialeigenschaften und Strukturen an jeder einzelnen Stelle eines Bauteils für Simulationsberechnungen bei der Leichtbauweise eine entscheidende Voraussetzung. Die bisher in der Fahrzeugsimulation verwendeten idealisierten Modelle sind nicht mehr aussagekräftig genug, um etwa die Stabilität eines Karosserieelements in Leichtbauweise realitätsgetreu analysieren zu können.

An Daten über die Veränderung von Materialien während des Herstellungsprozesses fehlt es nicht. Denn auch in der Konstruktionsplanung der Bauteile werden längst leistungsfähige Simulationsprogramme eingesetzt, die die Bearbeitungsprozesse bei der Herstellung der Bauteile exakt vorausberechnen. Das Programm gibt zum Beispiel detailliert Auskunft über Dinge wie die Materialdicke und auftretende Spannungen bei Stahlblechteilen nach einem Tiefziehprozess. Eine kaum lösbare Herausforderung war bisher allerdings die Übertragung dieser herstellungsbedingten lokalen Materialinformationen  aus den Umform- und folgenden  Bearbeitungssimulationen in das Crash-Modell. Denn in der Regel sind die verwendeten direkten Modelle und Koordinatensysteme der verschiedenen Simulationsdomänen nicht zueinander kompatibel.

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelte Fraunhofer SCAI in Zusammenarbeit mit dem Verband der Automobilindustrie den SCAIMapper. Die Kernfunktion dieser Softwarelösung richtet die Modelle aus verschiedenen Simulatoren so aufeinander aus, dass die relativen Positionen der Bauteilgeometrie und die dazugehörigen Informationen im Zielgitter für die Crash-Simulation exakt verortet und abgebildet werden. Mit speziellen Mapping-Funktionen werden Materialdicke, Druck- und Zugbelastung, Spannungen und andere Daten aus den Ergebnissen der Herstellungssimulation mit dem Zielgitter des Crash-Modells gekoppelt.

Zur Überprüfung der gemappten Größen haben die Entwickler die Software zusätzlich mit einem Validierungsmodul ausgestattet. Das Modul vergleicht die Element- und Knotenabstände der gekoppelten Modelle. Lokale Differenzen zwischen den Originalwerten und den übertragenen Informationen werden berechnet und visualisiert. Der Softwarenutzer steuert alle Funktionen über eine intuitive grafische Benutzeroberfläche. Ausgangs- und Zielmodell lassen sich direkt in der Bildschirmansicht vergleichen und analysieren. Für das Einlesen der Input- und Ausgabegitter unterstützt die Softwarelösung die Dateiformate vieler unterschiedlicher Programme für die Umform- und Crash-Simulationen.

In der Praxis eingesetzt wird der SCAIMapper unter anderem vom Automobilzulieferer Faurecia. Die Softwarelösung ist als zentrales Übertragungswerkzeug konzernweit in den gesamten Prozess der Sitzauslegung integriert, um den Einfluss der Herstellung auf Stabilität und Sicherheit der Produkte detailliert analysieren zu können. In einem Projekt der Volkswagen AG wird die Software von Fraunhofer SCAI als Bindeglied und Übertragungsschnittstelle für mehrstufige Prozessketten verwendet. In der Crash-Simulation wird es damit möglich, die gesamte Herstellungshistorie eines Bauteils detailliert zu berücksichtigen. (stw)