Forschungsprojekt: Weniger Rechenzeit bei Crashsimulationen

Weniger Rechenzeit bei Crashsimulationen – das war Ziel eines Forschungsprojektes beim CAE-Spezialisten Tecosim. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert. Am Standort München haben die Ingenieure anhand mehrerer Methoden und Modelle Einsparpotenziale herausgearbeitet. Das Ergebnis überrascht: Um bis zu 25 Prozent kann die Rechenzeit reduziert werden. Die numerische Simulation verschiedener Crashszenarien ist bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge ein wichtiges Instrument. Hochdynamische und teilweise nichtlineare Prozesse werden mit speziellen Finite-Element (FE)-Programmen dargestellt. Obwohl heutige Fahrzeugmodelle für die Crashsimulation schon circa drei Millionen Elemente enthalten, besteht der Wunsch nach einer weiteren Detaillierung. Denn viele bisher nur grob abgebildete Bauteile haben einen erheblichen Einfluss auf das Crashverhalten.

Mehr Detaillierung bedingt höhere Rechenzeiten

Eine größere Detaillierung erhöht aber auch die erforderliche Rechenleistung. So rechnen aktuelle Modelle je nach Code und Hardware zwischen 24 und 48 Stunden bei einem Zeitschritt von einer Mikrosekunde. Um beispielsweise Gussbauteile sauber abzubilden, müsste der Zeitschritt auf ein Zehntel bis ein Fünftel reduziert werden. Dies kann die Rechenzeit wiederum bis zum Zehnfachen erhöhen. Daher bestand das Ziel des Forschungsprojektes in der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die Rechenzeit für Crashberechnungen bei steigender Modellgenauigkeit gesenkt oder zumindest konstant gehalten werden kann. Die durchgeführte Entwicklung zielte auf explizite Verfahren ab, die bei der sogenannten Kurzzeitmechanik (Crashtest, Falltest) und bei extrem nichtlinearen Effekten (zum Beispiel Kontakt, starke Dehnungen und Verschiebungen) angewandt werden.

Vom Rigid-Body zu vollwertigen Bauteilen

In einem ersten Schritt untersuchten die Tecosim-Ingenieure einfache Ersatzmodelle. Dabei nahmen sie Teilbereiche des Modells zunächst als starr (Rigid-Body) an. Diese Ersatzmodelle benötigten erheblich weniger Rechenleistung, da keine interne Deformation berechnet werden musste. Nachdem die Bereiche das Crashhindernis erreicht hatten, wurden sie durch Entfernung des Rigid-Bodys wieder verformbar geschaltet. In der zweiten Projekthälfte entwickelte das Team dann Kriterien, um während einer Crashberechnung automatisch von Rigid-Bodys auf vollwertige Bauteilmodelle umzuschalten, sobald diese belastet werden und für den Crash eine Rolle spielen. Die erste Idee sah vor, die Rechnung mit einer ABAQUS-Restart-Analyse jeweils neu zu beginnen. Bei diesem automatischen Abbruch und Neustart lassen sich in ABAQUS die Eigenschaften eines Elements jedoch nicht verändern. Deshalb entwickelte Tecosim eine externe Routine, um den Wechsel von rigid zu deformierbar über eine Filterfunktion und ein dahinterliegendes Skript zu steuern. Dabei werden die Rigid-Bodys aufgelöst, nachdem im angrenzenden deformierbaren Bereich die Spannungen einen bestimmten Wert überschreiten.

Rechenzeitreduzierung an einem Teilfahrzeugmodell

Um die Rechenzeitersparnis an einem Teilfahrzeugmodell (Aufprall mit 56 km/h gegen eine starre Barriere) zu untersuchen, teilten die CAE-Ingenieure es in mehrere Rigid-Bereiche auf. Diese wurden im ersten Schritt nach einer vorgegebenen Zeit, später nach oben beschriebenem Abbruchkriterium aufgehoben. Um einen Überblick über die Gesamtrechenzeit und eine sinnvolle Definition der Rigid-Bodys zu erhalten, rechneten die CAE-Experten zuerst das Referenzmodell. Dann bestimmte das Team für eine erste Potenzialbewertung feste Rechenzeiten anhand der Referenzrechnung. Die Rechnung wurde zu den entsprechenden Zeitpunkten gestoppt, um jeweils den nächsten Rigid-Body zu entfernen. Anschließend wurden die Berechnungen mit Hilfe eines Abbruchkriteriums unterbrochen, der nächste Rigid-Body entfernt und automatisch neu gestartet.

Die Ingenieure testeten verschiedene Varianten aus auftretenden Spannungen, um die Rigid-Bodys ohne Verlust der Rechengenauigkeit auf „verformbar“ umzuschalten. Die Rechenzeit wurde dabei um knapp 19 Prozent verkürzt (vgl. Tabelle). Die schnellste Variante verwendete Tecosim dann für die Simulation eines Gesamtfahrzeuges.

Reduzierung der Rechenzeit an einem Gesamtfahrzeug

Die Berechnung des Gesamtfahrzeuges führten die Simulations-Spezialisten mit der ABAQUS-Version 6.12.3 auf acht CPU (Central Processing Unit) mit zwölf Gigabyte Speicher durch. Das Modell hatte circa 520.000 Knoten und rund 2,8 Millionen Freiheitsgrade. Abschließend stellte Tecosim fest, dass der Rigid-Body-Ansatz auch für größere Modelle eine vielversprechende Rechenzeitreduktion ermöglicht.

Die Ausgangsbasis (Teilmodell)

Das Modell wurde, wie bei Fahrzeugherstellern üblich, in verschiedene Includes unterteilt und für Front-, Heck- und Seitencrashuntersuchungen vorbereitet. Jedes Include war zu Beginn ein separater Rigid-Body, der nach Erreichen des Filterkriteriums entfernt wurde. Dabei zeigten sich Berechnungseinsparungen von bis zu zehn Prozent im Vergleich zu plastischelastisch dargestellten Gesamtfahrzeugen. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Rohkarosserie als ein Include von vorn nach hinten durch das gesamte Fahrzeug reicht und in einem Schritt deformierbar wurde. Mit einer geschickteren Rigid-Body-Aufteilung, unabhängig von den Includes ließen sich Ersparnisse wie im Teilmodell erreichen. Variante mit Abbruchfilter überzeugt als schnellste Berechnungslösung

Fazit am Ende des Förderprojekts: Die Berechnungsvariante mit spannungsbasiertem Abbruchfilter scheint am effektivsten. Sie ermöglicht Einsparungen der Rechenzeit eines Teilfahrzeugmodells von circa 20 Prozent sowie eines Gesamtfahrzeuges von etwa zehn Prozent. Damit wurde ein großes Teilziel zur anvisierten Rechenzeitersparnis von 30 bis 40 Prozent erreicht. Durch zusätzliche Verfeinerungen lässt sich weiteres Potenzial erschließen. Dank einer geschickten Rigid-Body-Aufteilung und eines nochmals optimierten Abbruchkriteriums können Rechenzeitersparnisse von circa 25 Prozent bei physikalisch realistischen Ergebnissen erreicht werden.

Bild: Teilmodell nach Rigids eingefärbt. Entfernung in der Reihenfolge orange, blau, grau, grün