Besonders Elektrofahrzeuge machen Simulationen hinsichtlich des Batterieverhaltens komplex. (Bild: Volkswagen)
Das Bauteil so lange biegen, bis es bricht. Am Rechner ist das kein Problem - Alltag für Fahrzeugkonstrukteure. Allerdings ist Strukturmechanik noch nicht mal die halbe Miete, wenn es darum geht, neue Materialien, Geometrien und Konstruktionen zu testen, bevor ein erster Prototyp auf die Räder gestellt wird. Besonders Elektrofahrzeuge machen Simulationen komplex: Wie gestaltet sich die Wärmeentwicklung der Batterien? Wie steht es um elektromagnetische Felder? Wie um das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten? Alles physikalische Fragen, denen mit reiner Mechanik nicht beizukommen ist.
Diese Tools schaffen Abhilfe
Abhilfe schaffen multiphysikalische Simulationen, kurz: Multiphysics. Sie verbinden verschiedene physikalische Phänomene und deren Wechselwirkungen, um bereits am Rechner abzuschätzen, an welcher Stelle Neuentwicklungen optimiert werden müssen. Klassisches Beispiel ist die Wärmedehnung. Wird beim Design von Bauteilen und Systemen nicht die Wirkung von unterschiedlichen Temperaturänderungen berücksichtigt, kann das im späten Entwicklungsstadium Konzepte ganzer Baugruppen über den Haufen werfen, weil Leistung oder Haltbarkeit von Batterien, Bremsen, Elektronik und Motoren nicht den Anforderungen entsprechen.
Mit Tools, wie der Software Comsol Multiphysics, können Ingenieure beispielsweise den Wärmetransport sowie seine Wechselwirkung mit verschiedenen physikalischen Phänomenen modellieren und so die thermischen Effekte auf einzelne Komponenten analysieren. Dazu kann in der Simulation der Wärmetransport mit Festkörpermechanik, Strömungen und chemischen Prozessen gekoppelt werden. „Entwickler sind so in der Lage, die Kühlung in Motoren, Reibungserwärmung in Bremsen, Batteriekühlung, thermische Ermüdung in verschiedenen Komponenten oder den Einfluss der Wärme auf die Leistung und Haltbarkeit von Dieselpartikelfiltern zu modellieren“, sagt Phillip Oberdorfer, Manager Technical Marketing bei Comsol Multiphysics.
Auf der Simulationsplattform können von der Definition von Geometrien, Materialeigenschaften und der beschreibenden Physik, bis hin zum Lösen und Nachbearbeiten von Modellen alle Schritte modelliert werden. Überdies können auch Simulationen aus anderen Engineering- und mathematischen Programmen einbezogen werden.
Niedrigere Entwicklungskosten
Bei Volkswagen in Kassel setzt man bereits bei der Entwicklung, Planung und Produktion von elektrischen Antrieben auf derart ausgefeilte Simulationen. Entwickler von Elektromotoren werden beim Design von Mechanik und Elektromagnetik mit einem solchen Tool unterstützt. Simuliert wird unter anderem wie durch Wirbelströme erzeugte hohe Temperaturen auf Permanentmagnetmotoren wirken oder wie Induktionsmotoren von Vibrationen beeinflusst werden. Auch der Entwurfsprozess für Elektromotoren wird am Rechner vorangetrieben, indem die Festigkeit von Rotorblechen in verschiedenen Betriebsszenarien virtuell ausgetestet wird. Ein Großteil der Tests läuft nun bereits automatisiert über die multiphysikalische Simulation ab.
Weiterer Vorteil: Auf Knopfdruck können nun verschiedene Designs einfach und schnell verglichen werden. Das drückt die Entwicklungskosten. Für Steffen Rothe, Simulationsingenieur für Bauteilentwicklung bei VW Kassel spielen derartige Tools „eine wichtige Rolle bei der Beschleunigung des Designprozesses“. Time to Market ist das Eine. Das Andere ist die Dauerhaltbarkeit, die mit vielschichtiger Simulation verbesset werden kann, was letztlich dafür sorgt, dass Autos nicht nur schneller auf den Markt kommen, sondern dort auch länger bleiben.
