Simulation Simcenter Madymo: Simulation im Einsatz für die Sicherheit im Hyperloop

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Um die Sicherheit der Hyperloop-Passagiere beweisen zu können, benötigte das an der Technischen Universität München angesiedelte TUM-Hyperloop-Team eine Lösung für die Simulation der Ganzkörperbewegung. Die Experten wählten dafür die Multiphysik-Simulationssoftware Simcenter Madymo.

Dank der Fortschritte in der Verkehrstechnik in den letzten Jahrhunderten können die Menschen heute weiter und schneller reisen als je zuvor. Das erweitert nicht nur den Horizont, sondern erleichtert auch die Abwicklung von Geschäften in globalisierten Märkten. Trotz dieses Fortschritts wollen die Menschen immer mehr und suchen nach Wegen, noch schneller und einfacher zu reisen.

Eine denkbare Lösung ist das Hyperloop-System. Ein Hyperloop nutzt einen magnetischen Antrieb und Niederdruckröhren, in denen sich Fahrgastkapseln mit einer Geschwindigkeit von bis zu 900 Kilometern pro Stunde bewegen.

Bevor Elon Musk 2012 das Interesse daran wieder aufleben ließ, prägte Alfred Ely Beach im Jahr 1870 den Begriff mit seiner Idee, pneumatische Röhren entlang des New Yorker U-Bahn-Systems zu bauen. Das Konzept lässt sich darüber hinaus bis ins Jahr 1799 zurückverfolgen, als George Medhurst die Idee hatte, komprimierte Luft als Antriebsmittel zu verwenden. Obwohl es Jahrhunderte gedauert hat, kommen wir der Verwirklichung dieser Vision immer näher.

Simcenter Madymo im Einsatz

Das an der Technischen Universität München (TUM) angesiedelte TUM-Hyperloop-Team vereint die Erfahrung von Fachleuten und akademischen Führungskräften mit dem Einfallsreichtum und der Leidenschaft von Studierenden. Ihr Ziel ist es, einen nachhaltigen Hochgeschwindigkeitsverkehr zu ermöglichen. Um diese Mission zu erfüllen, haben sie sich mit Claudio Santarelli, einem akademischen Geschäftsentwickler für die DACH-Region, beraten, der sie mit dem Customer Success-Team von Siemens Digital Industries Software zusammenbrachte. Es folgte der Einsatz der Simcenter Madymo-Software und der Lösung NX, die beide Bestandteil der Siemens-Xcelerator-Business-Plattform für Software, Hardware und Services sind.

Nachweis der Fahrgastsicherheit

Nachdem das TUM-Hyperloop-Team zwischen 2017 und 2019 vier von SpaceX geleitete Wettbewerbe mit dem Bau der schnellsten Kapseln gewonnen hat, startete sie ihr eigenes, von der bayerischen Regierung ­finanziertes Forschungsprojekt zum Bau eines Demonstrators in Originalgröße.

„Die Röhre für die Wettbewerbe lieferte SpaceX, wir haben unsere Gondel dafür entworfen“, sagt Gabriele Semino, Projektleiter bei TUM Hyperloop. „Jetzt bauen wir Röhre und Gondel selbst und in großem Maßstab.“

Nachdem das Team bewiesen hat, dass die Kapsel hohe Geschwindigkeiten erreicht, steht nun die Sicherheit der Passagiere im Mittelpunkt. „Die Röhre ist nur 24 Meter lang, aber wichtiger als die Länge ist der Durchmesser. Wir nutzen eine Röhre mit einem Durchmesser von vier Metern und eine Gondel mit einem Durchmesser von zweieinhalb Metern. Wir müssen zeigen, dass die von uns entworfene Gondel die Sicherheit der Passagiere gewährleistet“, erklärt Semino.

Das TUM-Team setzte bereits NX als CAD-System für die SpaceX-Wettbewerbe ein, da es größere Modelle verarbeiten kann und in Bezug auf Lizenzierung und Support die beste Option darstellte. Daher war es sinnvoll, die Lösung auch für das neue Projekt zu verwenden. Um die Sicherheit der Passagiere zu beweisen, benötigten die Entwickler jedoch eine Lösung für die Simulation der Ganzkörperbewegung.

Simcenter Madymo: Suche nach einer Lösung für die Ganzkörpersimulation

In ihrer Masterarbeit hat Natalia Roda, ein Teammitglied von TUM Hyperloop, die Aufgabe übernommen, eine Lösung für die Ganzkörpersimulation zu finden. Dazu verwendete sie Simcenter Madymo, eine Multi­physik-Software für computergestütztes ­Engineering (CAE). Durch die Simulation der Sicherheit von Fahrzeuginsassen und Verkehrsteilnehmern ermöglicht Madymo eine präzise Korrelation von Crashtest-Dummys und menschlichen Körpermodellen. Die Software kombiniert die Leistungsfähigkeit der Mehrkörpermodellierung mit Finite-Elemente-Details und Computational Fluid Dynamics (CFD) in einer einzigen Lösung.

Das Mehrkörperkonzept in Simcenter ­Madymo ist schnell und einfach einzurichten und bietet kurze Simulationszeiten. Diese Faktoren verkürzen die Zeit für die Einarbeitung und das Erzielen erster Ergebnisse. „Da die Universität bereits mit Siemens zusammenarbeitet, konnten mir die Siemens-Ingenieure zeigen, wie einfach die Dummy-Modelle von Simcenter Madymo in einer Studie zu positionieren und einzurichten sind“, betont Roda. „Mit der Unterstützung von Siemens konnte ich schnell alle Simulationen durchführen, die ich brauchte, um zu zeigen, dass die Hyperloop-Kapsel für die menschlichen Insassen sicher ist.“

Für dieses Projekt hatte Roda klare Ziele. Erstens wollte sie das dynamische Verhalten eines acht Meter langen und vier Tonnen schweren Hyperloop-Prototyps in Originalgröße analysieren. Zweitens wollte sie zur Gewährleistung der Sicherheit der Fahrgäste das menschliche Verhalten in verschiedenen Szenarien bewerten, darunter Beschleunigung, Abbremsung und unerwartete Ereignisse. Dokumentation und Präsentation ihrer Simulations- und Bewertungsergebnisse sollten einen wichtigen Beitrag für den Zertifizierungsprozess des Hyperloops leisten.

Um dem Team zu helfen, sich mit Simcenter Madymo vertraut zu machen, arbeitete das Simcenter-3D-Kundensupport-Team in der Anfangsphase des Projekts eng mit Roda zusammen und bot engagierte Unterstützung und Anleitung. Gemeinsam erstellten sie das Design der Kapsel aus den NX-Kon­s­truktionsdateien in Simcenter Madymo. Dann wurden virtuelle Dummys eingefügt und die Auswirkungen der Bewegung der Hyperloop-Gondel simuliert.

Natalia Roda verwendete die Dummys Thor-50M und Hybrid-III-50M aus der Simcenter Madymo-Datenbank, um die Auswirkungen der Hyperloop-Fahrt auf den menschlichen Körper zu simulieren. „Wir müssen verstehen, wie sich Beschleunigung und Bremsen auf den menschlichen Körper auswirken“, erläutert Roda. „Das Modell Hybrid-III-50M eignete sich für die meisten Tests, aber wir haben auch das Modell Thor-50M verwendet, da dieses über zusätzliche Sensoren im Unterleib verfügt. Diese zeigen uns an, ob Verletzungen eintreten, wenn der Dummy mit dem Tisch in Berührung kommt.“

Mit Hochgeschwindigkeit Richtung Zertifizierung

Die Simulationen haben ergeben, dass die Passagiere im Normalbetrieb keine schweren Verletzungen im Sinne der Sicherheitsstandards des European New Car Assessment Program (EuroNCAP) und des TÜV SÜD erleiden würden und somit sicher in der Gondel wären.

Erste Simulationen zeigten, dass einige Fahrgäste Verletzungen erleiden könnten. Obwohl Roda davon ausging, dass dies nur selten vorkommen würde, war es ihr Ziel, Verletzungen zu vermeiden. Daher führte sie Tests mit veränderten Kapsel-Innenräumen durch, indem sie beispielsweise Elemente hinzufügte, die verhindern, dass Passagiere aus ihren Sitzen fallen. Diese Simulationen zeigten, dass Passagiere im schlimmsten Fall nur leichte Verletzungen davontragen würden.

Das Team von TUM Hyperloop arbeitet mit TÜV SÜD zusammen, einem in Deutschland ansässigen Dienstleistungsunternehmen, das europaweit Qualitäts- und Sicher­heitsprüfungen durchführt. Nach der Zertifizierung durch den TÜV SÜD kann das Kapsel­design des TUM-Hyperloop-Teams für zukünftige Tests des Hyperloop-Transportsystems zugelassen werden.

Der Verkehr der Zukunft: Simulation in Simcenter Madymo

Da die Sicherheit der Fahrgäste gewährleistet ist, konzentriert sich das Team nun auf die Fertigstellung des Demonstrators und die Durchführung physischer Tests, um seine Simulationseinstellungen weiter zu validieren. Dies wird es ermöglichen, eine längere Strecke zu bauen und Tests bei höheren Geschwindigkeiten durchzuführen, um weiteres Vertrauen in die Modelle zu gewinnen.

„Das könnte das Reisen innerhalb der Kontinente revolutionieren, ist Gabriele Semino überzeugt. „Wir werden wahrscheinlich einen Hyperloop haben, der mit etwa 900 Kilometer pro Stunde fährt, was der Geschwindigkeit eines Flugzeugs entspricht. Der größte Unterschied ist jedoch, dass die Knotenpunkte oder Stationen näher an den Stadtzentren liegen. Stellen Sie sich vor, wie viel Zeit sie sparen könnten, wenn sie nicht mehr zum Flughafen fahren und dort warten müssten. Außerdem wird der Zug vom ersten Tag an vollelektrisch sein. Das bedeutet eine unmittelbare Verringerung der Kohlenstoffemissionen im Vergleich zum Flugverkehr.

Neben der Verringerung des Flugverkehrs dürfte der Hyperloop auch für die Eisenbahn von Nutzen sein. „Wir haben in ganz Europa gute Eisenbahnnetze, aber die Kapazität ist ein Problem. Zwar lassen sich mit dem Hyper­loop auch Güter transportieren, dennoch gehen wir davon aus, dass Menschen die Hauptnutzer sein werden, da es schneller ist, als mit dem Zug zu reisen. So wird auf der Schiene Platz frei für weniger dringende Güter. Da wir auf der Schiene größere Mengen an Gütern als Personen transportieren können, ist deshalb der Transport von Gütern auf der Schiene profitabler“, erläutert Semino.

Bei jedem neuen Verkehrsmittel, besonders bei einem, das mit so hohen Geschwindigkeiten fährt, müssen jedoch die Regulierungsbehörden von der Sicherheit überzeugt sein, bevor sie in das System investieren. „Der Einsatz von Simcenter Madymo hat es uns ermöglicht, die Sicherheit der Fahrgäste zu demonstrieren, ohne Leben zu riskieren. Ohne die Simulationslösung wäre es schwieriger gewesen, dieses Projekt auf den Weg zu bringen, da es zu viele Unbekannte gäbe. Ich bin sicher, dass der Nachweis der Sicherheit vor dem Bau eines physischen Prototyps ein großer Vorteil ist, um die Innovation voranzutreiben“, resümiert Gabriele Semino. 

Der Autor Ravi Shankar ist Director, Solutions and Technical Marketing, Simulation and Test bei Siemens Digital Industries Software.