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E-Book

CAE-Methoden in der Fahrzeugtechnik

AutorMartin Meywerk
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2007
Seitenanzahl357 Seiten
ISBN9783540498674
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis89,99 EUR

Einführung in CAE-Methoden und deren spezifische Fragestellungen in der Fahrzeugtechnik: Der Autor erläutert Grundlagen zur Modellbildung und zu Diskretisierungsverfahren für partielle Differenzialgleichungen. Er behandelt Temperaturausgleich, Mehrkörpersimulation, Statik/Dynamik elastischer Körper und Finite-Elemente. Mit fahrzeugspezifischen Themen wie Crash- und Insassensimulation, Akustik, Statik/Dynamik von Rohkarosserien, Mehrkörpersimulationen und Lebensdauer, Strömungssimulationen und Reifen-Fahrbahn-Wechselwirkungen. Plus: nichtlineare Phänomenen, elastische Körper in MKS-Anwendungen, Integrations- und Optimierungsverfahren.



Professor Dr.-Ing. Meywerk absolvierte ein Studium der Physik und Mathematik an der TU Braunschweig mit den Schwerpunkten angewandte Mathematik und theoretische Physik (gefördert durch die Studienstiftung des deutschen Volkes). 1991 bis 1996 promovierte er im Fachbereich Maschinenbau der TU Braunschweig in Technischer Mechanik zum Dr.-Ing., von 1997 bis 2002 war Professor Meywerk Berechnungsingenieur in der Abteilung für CAE-Methodenentwicklung bei der Volkswagen AG in Wolfsburg. Seit 2002 ist er Univesitätsprofessor für Fahrzeugtechnik an der Helmut-Schmidt-Univesität (Univesität der Bundeswehr) in Hamburg.

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Leseprobe

9 Crashberechnung und Insassensimulation (S. 141-142)

In diesem Kapitel werden Grundlagen der Crashberechnung und der Insassensimulation vorgestellt. Beide Berechnungsmethoden dienen der Verbesserung der Fahrzeugsicherheit, also einer Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Insasse oder ein Fußgänger durch einen Unfall verletzt wird.

Zunächst wird im ersten Abschnitt eine Einführung gegeben. Im zweiten Abschnitt werden elasto-plastische Materialgesetze vorgestellt. Im dritten Abschnitt wird der zweite, essentielle Bestandteil von Crashprogrammen, die Kontaktalgorithmen, erklärt. Der vierte Abschnitt behandelt weitere, wichtige Aspekte der Crashberechnung. Im fünften Abschnitt werden Insassenmodelle (sogenannte Dummymodelle) vorgestellt. Im sechsten Abschnitt folgen einige Beispiele.

9.1 Einführung

Bei Kraftfahrzeugen unterscheidet man die sogenannte aktive und die passive Sicherheit. Die aktive Sicherheit wird durch Systeme beeinflusst, die einen Unfall verhindern können (z. B. ABS, ESP). Passive Sicherheitssysteme reduzieren bei einem Unfall das Verletzungsrisiko der Insassen. Die Erhöhung der passiven Sicherheit ist eine Aufgabe der Crash- und Insassensimulation. Um die passive Sicherheit mit Hilfe von Simulationen beurteilen zu können, müssen neben dem elasto-plastischen Verhalten des Fahrzeugs auch z. B. Gurt, Airbag und Dummy rechnerisch erfasst werden.

Die Beurteilung der passiven Sicherheit erfolgt in einer Vielzahl von Crashtests, von denen für Seiten- und Frontalkollisionen einige in Abb. 9.1 (in der Leseprobe nicht erhalten) ,verdeutlicht sind. Im Rahmen dieser Tests werden Fahrzeuge (Prototypen oder neue Serienfahrzeuge) unter reproduzierbaren Versuchsbedingungen z. B. gegen eine starre Wand gefahren.

In den Fahrzeugen sind sogenannte Dummys (also menschenähnliche Puppen) platziert, diese Dummys sind mit Sensoren ausgestattet, deren Messsignale Rückschlüsse auf die Verletzungen zulassen, die ein menschlicher Insasse bei dem nachgestellten Unfall davongetragen hätte. In Crashtests und in deren Simulationen werden unterschiedliche Aspekte beleuchtet:

1. Verletzungsrisiko der Insassen,
2. Verletzungsrisiko von Fußgängern,
3. Verletzungsrisiko von Insassen anderer Fahrzeuge (sogenannte Kompatibilitätstests),
4. Auslegung der Rückhaltesysteme (z. B. Zündzeitpunkt des Airbags, Kraftniveau des Gurtkraftbegrenzers).

Das Verletzungsrisiko der Insassen wird mit Hilfe der Dummys bestimmt. Dazu werden Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Deformationen und Kräfte herangezogen.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort8
Inhaltsverzeichnis9
1 Einleitung13
2 Rechnergestützte Methoden19
2.1 CAx-Methoden19
2.2 Computer26
3 Modellbildung29
3.1 Physikalische Modellbildung29
3.2 Geometrische Modellbildung35
3.2.1 Geometrische Aufbereitung35
3.2.2 Physikalische Modifikation38
3.3 Mathematische Modellbildung40
4 Partielle Differentialgleichungen und Diskretisierungsmethoden45
4.1 Klassifikation partieller Differentialgleichungen45
4.2 Diskretisierungsprinzipe49
4.2.1 Schwache Formen49
4.2.2 Methode der gewichteten Residuen51
4.2.3 Finite-Differenzen-Methode52
4.2.4 Finite-Volumen-Methode53
4.2.5 Begriffe56
4.2.6 Smoothed-Particle-Hydrodynamic-Methode58
4.2.7 Moving-Least-Square-Approximation60
4.2.8 Äußere Approximation (Trefftz-FEM)60
4.2.9 Randelemente-Methode62
5 Wärmeleitung, Temperaturstrahlung, Konvektion, Diffusion67
5.1 Wärmeleitung69
5.2 Temperaturstrahlung75
5.3 Konvektion78
5.4 Diffusion79
5.5 Plausibilitätsbetrachtungen80
6 Dynamik starrer Körper83
6.1 Kinetik des starren Körpers85
6.2 Kinetische Energie des starren Körpers88
6.3 Elemente von Starrkörperprogrammen93
6.4 Orientierung starrer Körper94
6.5 Aufstellen und Lösen der Gleichungen100
6.5.1 Aufstellen der Bewegungsgleichungen100
6.5.2 Lsen der Gleichungen101
7 Statik und Dynamik deformierbarer Körper105
7.1 Grundlagen der Elastizitätstheorie105
7.1.1 Der dreiachsige Spannungszustand106
7.1.2 Der ebene Spannungszustand113
7.1.3 Kinematik des verformbaren Körpers115
7.1.4 Hauptachsen und Invarianten119
7.1.5 Kompatibilitätsbedingungen120
7.1.6 Stoffgesetz121
7.1.7 Formänderungsenergie125
7.2 Elemente und Elementmatrizen127
7.3 Beispiele129
7.3.1 Spannungsberechnung130
7.3.2 Eigenschwingungen133
8 Finite-Elemente-Vernetzungen135
8.1 Finite-Elemente-Typen135
8.2 Numerische Integration (Quadratur)138
8.3 Spannungsberechnung142
8.4 Elementqualität142
8.5 Beispiele142
8.6 Abschätzungen148
9 Crashberechnung und Insassensimulation153
9.1 Einf¨uhrung153
9.2 Elasto-Plastizität157
9.3 Kontaktalgorithmen163
9.4 Weitere Aspekte165
9.4.1 Hourglass-Moden165
9.4.2 Zeitschritt167
9.4.3 Crashprogramme168
9.5 Insassensimulation169
9.6 Beispiele172
9.7 Praktische Hinweise177
10 Akustik181
10.1 Einführung181
10.2 Berechnungsmethoden184
10.2.1 Theoretische Grundlagen184
10.2.2 Rayleighsche Integralmethode188
10.2.3 Boundary-Element-Methode192
10.2.4 Finite-Elemente-Methode197
10.2.5 Statistische Energie-Analyse199
10.2.6 Ray-Tracing-Methode211
10.3 Praktische Hinweise213
11 Statik, Dynamik, Betriebsfestigkeit von Rohkarosserien215
11.1 Statik von Rohkarosserien216
11.2 Dynamik von Rohkarosserien220
11.3 Vorhersage der Lebensdauer223
12 Strömungssimulation225
12.1 Motoren225
12.2 Außenaerodynamik228
12.3 Klimatisierung229
12.4 Ladungswechselberechnung230
13 MKS-Modelle247
13.1 Ventilsteuerung und Antriebsstrang247
13.2 Fahrdynamik249
14 Fahrbahn-Fahrzeug-Interaktion257
14.1 Reifenmodelle257
14.2 Nachgiebige Fahrbahn269
15 Nichtlineare Optimierung277
15.1 Grundlagen277
15.2 Suchstrategien289
15.2.1 Jacob-Suchverfahren289
15.2.2 Simplex-Verfahren291
15.2.3 Monte-Carlo-Verfahren293
15.3 Newton- und Gradienten-Verfahren294
15.4 Verfahren der zulässigen Richtungen und SQP-Verfahren297
15.5 Evolutionäre Algorithmen297
15.6 Ganzzahlige Optimierung301
15.7 DOE und RSM303
15.8 Neuronale Netze314
15.9 Multikriterielle Optimierung316
15.10 Beispiele320
15.10.1 Crashberechnung320
15.10.2 Parameteridentifizierung322
15.10.3 Rückhaltesysteme323
15.10.4 Sicken- und Topologieoptimierung325
16 Phänomene nichtlinearer dynamischer Systeme331
16.1 Singuläre Punkte und invariante Mannigfaltigkeiten332
16.2 Bifurkationen340
16.3 Super- und subharmonische Schwingungen349
16.4 Attraktoren und deterministisches Chaos352
Literaturverzeichnis359
Sachverzeichnis365

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