Rechenzeitreduzierung bei Crashsimulationen

Ein Verfahren zur Reduzierung der Rechenzeiten von Crashsimulationen – das war Ziel eines Forschungsprojektes bei TECOSIM. Das Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert. Am Standort München wurden mehrere Methoden und Modelle erstellt, um das bestmögliche Einsparpotenzial herauszuarbeiten. Das Ergebnis: Rechenzeiteinsparungen bis zu 25 Prozent sind möglich.

Die numerische Simulation von verschiedenen Crashszenarien ist ein immer wichtigerer Bestandteil bei der Fahrzeugentwicklung. Hochdynamische und teilweise nichtlineare Prozesse werden mit speziellen Finite-Element(FE)-Programmen dargestellt. Obwohl heutige Fahrzeugmodelle für die Crashsimulation schon Elementzahlen von circa drei Millionen ausweisen, steigt der Wunsch nach einer weiteren Detaillierung von Crashmodellen. Denn viele Bauteile, die bisher nur grob abgebildet wurden, haben einen erheblichen Einfluss auf das Crashverhalten.

Höhere Detaillierung bedingt höhere Rechenzeiten

Eine höhere Detaillierung führt aber auch zu einer Erhöhung der 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 wiederum zu einer Verlängerung der Rechenzeit auf bis zum Zehnfachen führen. 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 (z. B. Kontakt, starke Dehnungen und Verschiebungen) angewandt werden.

Vom Rigid-Body zu vollwertigen Bauteilen

In einem ersten Schritt wurden die Untersuchungen an einfachen Ersatzmodellen vorgenommen. Teilbereiche des Modells wurden zunächst als starr (Rigid-Body) angenommen. Diese benötigen erheblich weniger Rechenleistung, da keine interne Deformation berechnet werden muss. Nach Erreichen des Crashhindernisses wurden diese Bereiche durch Entfernung des Rigid-Bodys wieder verformbar geschaltet.

In der zweiten Projekthälfte wurden dann Kriterien entwickelt, 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 starten. Bei diesem automatischen Abbruch und Neustart lassen sich in ABAQUS die Eigenschaften eines Elements jedoch nicht verändern. Daher wurde eine externe Routine entwickelt, 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.

Die Ausgangsbasis (Teilmodell)

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

Rechenzeitreduzierung an einem Teilfahrzeugmodell

Für die Untersuchung der Rechenzeitersparnis an einem Teilfahrzeugmodell (Aufprall mit 56 km/h gegen eine starre Barriere) wurde dies in mehrere Rigid-Bereiche unterteilt. Diese wurden im ersten Schritt nach einer vorgegebenen Zeit, später nach oben beschriebenem Abbruchkriterium aufgehoben. Dazu wurde zuerst das Referenzmodell gerechnet, um einen Überblick über die Gesamtrechenzeit und eine sinnvolle Definition der Rigid-Bodys zu erhalten. Dann wurden für eine erste Potenzialbewertung feste Rechenzeiten anhand der Referenzrechnung bestimmt. 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.

Es wurden verschiedene Varianten getestet, aus auftretenden Spannungen ein Abbruchkriterium abzuleiten, um die Rigid-Bodys ohne Verlust der Rechengenauigkeit auf „verformbar“ umzuschalten. Die Rechenzeit konnte dabei um knapp 19 Prozent verkürzt werden (vgl. Tabelle). Die schnellste Variante wurde dann für die Simulation eines Gesamtfahrzeuges verwendet.

Basismodell komplett deformierbar

Aufteilung des Modells in Rigid-Body, die nacheinander deformierbar gestellt werden.

Rechenzeitreduzierung an einem Gesamtfahrzeug

Die Berechnung des Gesamtfahrzeuges wurde mit der ABAQUS-Version 6.12.3 auf 8 CPU mit 12 GB Speicher durchgeführt. Das Modell hatte circa 520.000 Knoten und circa 2,8 Millionen Freiheitsgrade. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Rigid-Body-Ansatz auch für größere Modelle eine vielversprechende Rechenzeitreduktion ermöglicht.

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 plastisch-elastisch dargestellten Gesamtfahrzeugen. Dabei ist anzumerken, dass die Rohkarosserie als ein Include von vorn nach hinten durch das gesamte Fahrzeug reicht und in einem Schritt deformierbar wurde. Mit einer geschickten Rigid-Body-Aufteilung ließen sich Ersparnisse wie im Teilmodell erreichen.

Variante mit Abbruchfilter überzeugt als schnellste Berechnungslösung

Am Ende des Förderprojektes steht die Erkenntnis, dass die Berechnungsvariante mit spannungsbasiertem Abbruchfilter am effektivsten erscheint. Sie ermöglicht Einsparungen der Rechenzeit eines Teilfahrzeugmodells von circa 20 Prozent sowie eines Gesamtfahrzeuges von circa zehn Prozent. Damit wurde ein großes Teilziel zur anvisierten Rechenzeitersparnis von 30 bis 40 Prozent erreicht. Durch zusätzliche Verfeinerungen lässt sich zusätzliches Potenzial erschließen. Dank einer geschickten Rigid-Body-Aufteilung und eines weiter optimierten Abbruchkriteriums können Rechenzeitersparnisse von circa 25 Prozent bei physikalisch realistischen Ergebnissen erreicht werden.