Computer-Crashtests: Die Geschichte des CAE am Beispiel Crashsimulation

So archaisch Crashtests manchmal wirken: Sie retten Menschenleben. Den entscheidenden Durchbruch für mehr passive Sicherheit von Fahrzeugen brachten aber die Crashsimulationen am Computer. Vor 25 Jahren begann TECOSIM als Start-up die Fahrzeughersteller dabei zu unterstützen. Heute macht das Unternehmen in großem Maßstab Simulationen in allen Facetten und gibt genaue Aussagen darüber, wie sich eine Struktur im Ernstfall verhält.

Der erste Mercedes-Benz Crashtest vom 10. September 1959: Mit diesem Frontalaufprall eines Fahrzeugs der Baureihe W 111 beginnen die Crashtests von Mercedes Benz. Foto: Mercedes-Benz

Es ist der 10. September 1959. Die USA und die UdSSR liefern sich im Weltall einen Wettlauf um die Vorherrschaft, auf Kuba hat Fidel Castro die Macht übernommen und in England ist gerade der erste Kleinwagen der Baureihe Mini auf den Markt gekommen. Auf einem freien Feld im Sindelfinger Werk von Mercedes-Benz steht eine Gruppe von Ingenieuren an einer neuen Versuchsanordnung. Im Zentrum des Geschehens: ein dem Tode geweihtes Versuchsfahrzeug. Vor sich eine feste Barriere aus alten Presswerkzeugen. Zwischen Fahrzeug und Barriere das Seil einer Schleppanlage, die sich die Mercedes-Tester von den Segelfliegern der Technischen Hochschule Stuttgart ausgeliehen haben. Die bringt heute kein Flugzeug zum Start, sondern den Versuchswagen auf direkten Kollisionskurs. Es kommt zum Frontalzusammenstoß.

Beginn einer neuen Ära in der Verkehrssicherheit

Der erste Crashtest in Sindelfingen markiert den Beginn einer neuen Ära. Erstmals rückt die passive Sicherheit, die sich zuvor auf die Auswertung von Unfällen im Feld beschränkte, in den Mittelpunkt der Entwicklungsarbeit. 1959 gab es fast 14.000 Verkehrstote bei – bedingt durch das noch geringe Verkehrsaufkommen – 843.412 Unfällen. Rein rechnerisch führte also jeder 60. Unfall zu einem Verkehrstoten. 2015 starben in Deutschland bei etwa 2,5 Millionen Unfällen 3.475 Menschen, damit endete statistisch gesehen „nur“ noch etwa jeder 720. Unfall tödlich. Jeder Einzelfall ist tragisch, und doch zeigen die Zahlen: Die jahrzehntelange Arbeit der Ingenieure hat sich gelohnt. Sie rettet Menschenleben. „Technisch gesehen sind die zentralen Fragen der passiven Sicherheit heute gelöst“, sagt Mark Gevers, Niederlassungsleiter von TECOSIM am Standort Köln. Der Experte, der sich seit Jahrzehnten mit Crashsimulation beschäftigt, fügt hinzu: „Ausschlaggebend dafür ist die Entwicklung des CAE, also des Computer Aided Engineering, das seit den 1990er Jahren die systematische Simulation und Analyse von Unfällen am Computer ermöglicht.“

Zunächst aber dominieren die physischen Crashtests. „Lange Zeit war passive Sicherheit ein Privileg der Oberklasse und ein Merkmal, das der Differenzierung im Wettbewerb diente“, berichtet Gevers. Zu den Herstellern, die dieses Feld gezielt besetzen, gehören vor allem Mercedes-Benz und Volvo. Anfangs herrscht die Meinung vor, dass eine möglichst hohe Steifigkeit der Karosserie die größte Insassensicherheit bietet. Die Crashtests zeigen aber, dass solche Karosserien die Unfälle zwar gut überstehen, die Bewegungsenergie aber an die Insassen abgeben, was zu schweren Verletzungen führt. Deswegen entwickeln die Konstrukteure Karosserien mit gestaltfester Fahrgastzelle und Knautschzonen an Front und Heck – so etwa bei der Mercedes-Baureihe W 111, besser bekannt als Heckflossen-Mercedes, unter Liebhabern auch „Große Flosse“ genannt.

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Die Infografik verdeutlicht die Entwicklung des Computer Aided Engineering in den vergangenen 25 Jahren am Beispiel virtueller Crashtests

Dank CAE erreicht Verkehrssicherheit auf breiter Ebene das Volumensegment

Die Anfänge der numerischen Crashsimulation liegen in den 1980er Jahren. Damals beginnen einzelne Fahrzeughersteller, die Berechnungsmethode der Finiten Elemente (FEM) auf Fahrzeugteile wie beispielsweise die Längsträger anzuwenden. Dabei zerlegen sie das jeweilige Modell mit Hilfe von FEM in eine bestimme Anzahl von einfach geformten Teilkörpern. Allerdings sind die Rechenkapazitäten begrenzt, so dass lediglich reale Crashtests in niedriger Auflösung nachberechnet werden, um die eingesetzten Verfahren zu validieren. Erst mit dem Aufkommen der parallel geschalteten Multiprozessor-Rechner Anfang der 1990er Jahre und der gleichzeitigen großflächigen Ausstattung der Entwicklungsabteilungen mit Desktop-Rechnern setzt sich die numerische Crashsimulation durch. CAE-Software wie Pam-Crash, LS-Dyna, Radioss und Abaqus etabliert sich.

Durch die Crashsimulation wird es erstmals möglich, Maßnahmen für passive Sicherheit auch ohne aufwendige und teure physische Crashtests zu entwickeln und zu bewerten. Sicherheit ist nun nicht mehr nur der Oberklasse vorbehalten, es entwickelt sich eine „Demokratisierung“ ins Volumensegment hinein. Es ist auch die Stunde der Dienstleister: 1992 gründet Ulrich Rusche in seinem Rüsselsheimer Wohnzimmer die Firma TECOSIM – mit drei Computern und einem kleinen Team von Berechnungsingenieuren. Bereits ein Jahr später berechnet TECOSIM für Ford das Frontcrashverhalten einer neuen Fiesta-Generation. Ein erster Meilenstein für die Integration des CAE in die Entwicklungsabteilungen der großen Automobilhersteller, denn die Ergebnisse der Berechnung werden in realen Crashtests bestätigt. „Ford war damals ein ‚Fast Follower‘, der die Technologien mit Hilfe der Simulationsverfahren in die breite Masse bringen wollte“, erläutert Gevers. Weitere Hersteller folgen bald – so berechnet TECOSIM für Opel 1994 am Europa-Modell Omega die Crasheigenschaften einer neuen Plattform.

Aus damaliger Sicht ein Durchbruch, aus heutiger Sicht allerdings erst der Anfang. Denn die Auflösung, mit der die Entwickler heute arbeiten, ist etwa 240-mal höher als Mitte der 1990er Jahre. Bei simulierten Crashtests müssen die zahlreichen Verformungen berechnet werden, die während der Deformation entstehen. Auf diese Weise finden die Ingenieure heraus, wie sich die kinetische Energie eines Zusammenstoßes auf die Struktur der Karosserie auswirkt. Im Jahr 1992 bestand das Modell für einen Vollfahrzeug-Crash aus etwa 25.000 Elementen. Heute werden bei einer Crashsimulation rund sechs Millionen Elemente berechnet. Das funktioniert nur, weil in den vergangenen 25 Jahren die Rechenleistung permanent gestiegen ist und die Softwaretools immer mächtiger wurden. So dauert ein Rechenlauf – trotz der bedeutend höheren Anzahl an zu berechnenden Elementen – mittlerweile nur noch rund 15 statt 150 Stunden. Hilfreich ist dabei, dass nicht nur die einzelnen Prozessoren geradezu exponentiell an Leistung zulegten, sondern dass die Berechnungen auch in Clustern auf mehreren Computern ausgeführt werden.

Crashtests am Computer ermöglichen seit den 1990er Jahren die systematische Simulation und Analyse von Unfällen am Computer (Foto: TECOSIM-TEC|BENCH)

Gesetze und Vorgaben

Wie unverzichtbar die numerische Simulation für die passive Sicherheit geworden ist, zeigt sich nicht nur daran, dass heute viel weniger Insassen bei Unfällen zu Schaden kommen. Es gibt auch immer mehr Gesetze und darüber hinaus Vorgaben wie beispielsweise durch die Euro-NCAP-Organisation, die die Fahrzeughersteller bei der Zulassung neuer Fahrzeuge und Baureihen beachten. Im Jahr 1992 gab es weniger als zehn solcher Bestimmungen, heute sind es weltweit mehr als 50 – vom Frontalaufprall über den Seiten- und Heckaufprall bis hin zur Dacheindrückung. Die Anzahl der realen Crashtests ist dabei nur unwesentlich gestiegen: Waren es 1992 rund 100 Tests pro Typzulassung, so sind es heute etwa 100 bis 150 – und das vor allem, weil es der Gesetzgeber so verlangt. „Die Simulationen sind heute so zuverlässig, dass ein Zulassungsverfahren ausschließlich auf Grundlage von Crashsimulationen durchaus in greifbare Nähe rückt“, meint Gevers.

Ob mit oder ohne reale Crashtests – die numerische Simulation ist für die Entwicklung passiver Sicherheitskonzepte zum Standard geworden. „Das ist heute gewissermaßen eine Selbstverständlichkeit – aber deswegen nicht weniger wichtig“, betont Gevers. Die Zahlen sprechen eine deutliche Sprache. Als TECOSIM 1992 gegründet wurde, begleiteten etwa 250 Crashsimulationen die Auslegung eines neuen Fahrzeugs. Heute sind es rund 25.000, also hundertmal so viele. Das Beispiel Crashtest zeigt: CAE ist auch insgesamt aus der Automobilentwicklung nicht mehr wegzudenken, auch durch neue Anforderungen an die aktive Sicherheit – sei es durch das assistierte und automatisierte Fahren, sei es durch neue, elektrifizierte Fahrzeugkonzepte. Die Entwicklung, die seinerzeit auf dem Feld in Sindelfingen begann, geht weiter.