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Simulation/BerechnungVirtuelles Prüfstandskonzept lindert Zeitdruck in der Entwicklung

Mit seinem virtuellen Prüfstandszentrum arbeitet der Ingenieurdienstleister InDesA GmbH kostengünstiger und umweltfreundlicher - vor allem aber hat sich gezeigt, dass sich virtuell Leistungsdaten viel schneller bestätigen lassen als mit Prototypenversuchen. Auf einem schnellen parallelen Rechen-Cluster liefert die 3D-Multiphysik-Simulationssoftware Star-CCM+ basierend auf standardisierten Modellaufbauten, Prüfzyklen und Auswertungen Leistungskennfelder von Kühlerlüftern, Pumpen, Kompressoren und Wärmetauschern. Darüber hinaus lassen sich Bauteilgruppe und Module wie Kühlmittelkreisläufe auf Funktionsprüfständen analysieren.

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Simulation/Berechnung: Virtuelles Prüfstandskonzept  lindert Zeitdruck in der Entwicklung

Die moderne Kraftfahrzeugentwicklung mit Baukasten- und Plattformstrategien erfordert die simultane Entwicklung einer Vielzahl von Komponenten und Modulen, die funktions- und kostenoptimiert in die Fahrzeugstruktur integriert werden müssen. Die immer kürzeren Entwicklungszeiten und die steigende Zahl von Fahrzeugvarianten lassen für Auslegung, Konstruktion, Versuch und Analyse dieser Komponenten immer weniger Zeit. Ein noch weitgehend ungenutztes Potenzial zur Reduzierung des Entwicklungsaufwandes auf Komponentenebene liegt in der Verwendung virtueller Leistungs- und Funktionsprüfstände, die den Aufbau von Versuchsmustern und den Versuch auf Komponentenprüfständen in Zukunft ersetzen werden - und damit den Ressourcenbedarf für Konstruktion, Analyse und Erprobung senken. Denn der virtuelle Prüfstand lässt die Analyse und den Funktionsnachweis mit Hilfe von virtuellen Prototypen auf der Basis von CAD-Daten zu.

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Virtuelle Prüfstände werden umso bedeutender, je innovativer die abzusichernden Komponenten sind. Wie am Beispiel eines kombinierten Generator-Wasserpumpen-Aggregats später erklärt wird, kann dieses sowohl das Kühlsystem als auch das elektrische System des Fahrzeugs beeinflussen - und eine funktionale Verbindung zwischen den zwei Fahrzeugsystemen herstellen. Somit lassen sich beide nicht mehr unabhängig voneinander betrachten, wozu frühzeitig die maßgeblichen Betriebseigenschaften, sowohl von Generator als auch Wasserpumpe, bekannt sein müssen. Für den Lieferanten der einzelnen Komponente ist es aber schwierig, einen Prototypen zu bauen, ohne die übergeordneten Systemspezifikationen zu kennen, die sich aus der zusätzlichen Funktionalität seines Aggregates ergeben. Gefordert ist hier ein schneller iterativer Prozess, um die Systemanforderungen mit den Möglichkeiten des Aggregats abzustimmen. Ein virtuelles Prüfstandskonzept ist also gerade bei innovativen Komponenten nicht nur hilfreich, sondern oftmals notwendig.

Virtuelles Prüfstandszentrum für Leistungs- und Funktionstests

Um im Vergleich zu den herkömmlichen Hardware-basierten Versuchen schnell, flexibel und kosteneffizient zu arbeiten, baute InDesA eine hochoptimierte, virtuelle Testumgebung auf - ein virtuelles Prüfstandszentrum. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der virtuellen Leistungsvermessung und Erstellung von Leistungskennfeldern für Kühlerlüfter, Pumpen, Kompressoren und Wärmetauscher. Von besonderem Interesse sind die Berechnung von Förderkennfeldern für Lüfter, Pumpen und Kompressoren sowie Wärmeübertragungskennfeldern und Druckverlusten für verschiedene Wärmetauscher. Das virtuelle Prüfstandszentrum ist darüber hinaus auch für Funktionstests von größeren Baugruppen und Modulen geeignet - basierend auf den einzelnen Komponenten für die virtuelle Leistungsberechnung. Beispielhaft sei der Kühlmittelkreislauf genannt, der die Pumpe und verschiedene Wärmetauscher beinhaltet. Weiterhin lässt sich auf den virtuellen Funktionsprüfständen die Kühlung von elektrischen Aggregaten, von Leistungselektronik sowie von Batteriepaketen verifizieren.

Alle genannten Anwendungen sind sehr rechenzeitintensiv. Denn für die Erstellung von Leistungskennfeldern müssen viele Betriebspunkte parallel berechnet werden. InDesA hat daher in einen Computer-Cluster mit 112 Knoten investiert, die über ein Hochgeschwindigkeits-Datennetzwerk miteinander kommunizieren. Die Computer-Hard- und -Software wurde dabei auf die Berechnungssoftware Star-CCM+ von CD-Adapco abgestimmt, eine Multiphysik-Simulationssoftware, mit der sich auch anspruchsvolle Strömungs- und Wärmeübertragungsanwendungen berechnen lassen. Mit dieser Rechner-Konfiguration ist es möglich, die Betriebszeit auf dem virtuellen Prüfstand soweit zu reduzieren, dass die Versuchsdauer auf herkömmlichen Hardware-bezogenen Prüfständen unterboten werden kann.

In übersichtlicher Weise lässt die Benutzeroberfläche von Star-CCM+ die Verwaltung von CAD- und Materialdaten sowie Anfangs- und Randbedingungen zu. Die Simulationsmodelle können auf einfache Art und Weise parametrisiert werden, wodurch sich auch Design-Studien mit einem sehr geringen manuellen Aufwand automatisieren und durchführen lassen (DOE - Design of Experiments). Die Betriebssoftware des virtuellen Prüfstands wird zudem durch ein weiteres Modul ergänzt, das auf der Simulationssoftware GT-Suite von Gamma Technologies basiert. Mit diesem Modul kann das strömungstechnische Umfeld des Prüflings auf der Basis einer eindimensionalen Strömungs- und Wärmeübertragungstheorie dargestellt werden. So kann beispielsweise ein Abgasrückführungs-Kühler (AGR-Kühler) auf dem virtuellen Prüfstand an die Ansaugluftführung und die Abgasanlage eines Motors angeschlossen werden. Ähnliche Möglichkeiten ergeben sich bei der Anbindung von Kühl- oder Schmiersystemen. Mit dieser Erweiterung lässt sich das Gesamtsystem erfassen, in das die zu untersuchenden Komponenten normalerweise integriert sind. Werden die Systemeigenschaften berücksichtigt, lässt sich die Anzahl der zu untersuchenden Betriebspunkte deutlich eingrenzen. Für den Fall der Wasserpumpe ergibt sich beispielweise der Betriebspunkt aus den Schnittpunkten der Systemcharakteristik des Kühlmittelkreislaufs mit den Betriebskennlinien der Wasserpumpe. Von daher muss nicht unbedingt ein vollständiges Betriebskennfeld virtuell vermessen werden.

Analysebeispiel am AGR-Kühler-Prüfstand

Die Aufgabe eines AGR-Kühlers (Bild 2) ist die Rückkühlung des Abgases, das der Sauganlage und somit der Verbrennung als Inertgas erneut zugeführt wird. Die Abgasrückführung dient in erster Linie der Reduzierung von Stickoxiden. Das heiße Abgas passiert zunächst das geöffnete AGR-Ventil, bevor der eigentliche Wärmetauscher durchströmt wird, der als Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher ausgeführt sein kann. Über eine Bypass-Klappe wird zudem der Abgasmassenstrom eingeregelt, der ungekühlt passieren kann. Das Kühlmittel wird an einer geeigneten Stelle aus dem Kühlmittelkreislauf entnommen. Neben der Rückkühlung des Abgases muss ebenfalls der Ventilsitz des AGR-Ventils gekühlt werden.

Nachdem die Anschlüsse an das Kühlmodul mit Ein- und Auslass für Abgas und Kühlmittel festgelegt sind, müssen die Massenströme und Einlasstemperaturen spezifiziert werden. Diese spannen in der Regel das zu untersuchende Kennfeld auf. Je genauer das System für den Gasladungswechsel und für den Kühlmittelkreislauf des Motors bekannt ist, desto enger lässt sich das zu untersuchende Kennfeld eingrenzen. In diesem Fall kann beispielsweise ein GT-Suite-Modell für beide Medien angeschlossen werden, um Massenströme und Einlasstemperaturen für verschiedene Motorbetriebspunkte festzulegen. Obwohl AGR-Kühler in der Regel lediglich für stationäre Abgasmassenströme vermessen werden, kann mit der GT-Suite-Erweiterung auch der Wärmeübergang für pulsierende Strömungen simuliert werden - die durch den motorischen Ladungswechsel erzeugt werden. Zusätzliche Randbedingungen betreffen die Stellung des AGR-Ventils und der Bypassklappe, die während der Testreihe auch kontinuierlich verändert werden können.

Die Berechnung des Wärmeübertragungsverhalten mit Star-CCM+ erlaubt nun die direkte, thermische Kopplung von Abgas, Struktur und Kühlmittel, wobei alle Details der Rohre oder Platten mit Rippen, Noppen oder Finnen, sowie Einzelheiten wie die Aufhängung der Abgasklappe geometrisch aufgelöst werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass auch Leckage-Massenströme erkannt und berücksichtigt werden, die einen Einfluss auf das Wärmeübertragungsverhalten haben.

Der virtuelle Prüfstand für den AGR-Kühler liefert Ergebnisse und Analysen, die weit über die Ergebnisqualität eines konventionellen, Hardware-basierten Prüfstands hinausgehen:

Für das Kühlmittel (Bild 3a) können neben der Austrittstemperatur und dem Druckverlust auch die Bereiche erkannt werden, in denen Sieden auftreten kann. Des Weiteren können Kennzahlen für die Strömungsgleichverteilung im Kühler ermittelt und der interne Volumenstrom für die Ventilsitz-Kühlung bestimmt werden.

Für das Abgas (Bild 3b) sind die Austrittstemperatur und der Druckverlust die entscheidenden Ergebnisse der Simulation. Darüber hinaus können die Kraft auf die Bypassklappe und die Leckage-Massenströme ermittelt werden.

Die Temperaturen in der Wärmetauscherstruktur (Bild 3c) sind besonders im Bereich des Ventilsitzes von Interesse, der gesondert gekühlt wird. Generell kann das gesamte, berechnete Temperaturfeld für eine Strukturanalyse weiterverwendet werden, um Bauteilspannung, Dehnung und Materialermüdung zu analysieren.

Schließlich wird der Wärmeübergang vom Abgas in das Kühlmittel über die Wärmetauscherstruktur bestimmt. Wird die Berechnung für eine ausreichend große Anzahl von Betriebspunkten durchgeführt, kann eine Nusselt-Korrelation abgeleitet werden, womit Wärmeübertragungskennfelder für verschiedene Einlasstemperaturen für Abgas und Kühlmittel abgeleitet werden können. Derartige Korrelationen finden häufig in der 1D-Systemanalyse Verwendung, um Kühlsysteme zu berechnen und auszulegen.

Neben der Berechnung von Wärmeübertragungskennfeldern helfen die Analysen am virtuellen AGR-Prüfstand, Schwachstellen des Wärmetauscherdesigns aufzudecken ¿ um diese über gezielte Vorschläge zur Strömungsführung zu beseitigen. Dazu kann generell das Mittel der DOE eingesetzt werden, da sich im Parallelbetrieb viele Designvarianten berechnen und analysieren lassen.

Analyse für ein innovatives Aggregat

Am virtuellen AGR-Kühlerprüfstand kann die Berechnung und Analyse von AGR-Kühlern weitgehend automatisiert erfolgen, da deren prinzipieller Aufbau immer gleich ist. In einem zweiten Beispiel soll nun gezeigt werden, dass sich auch innovative Aggregate schnell und kosteneffizient analysieren lassen, wenn die Analysen direkt in die Designschleifen integriert werden.

Für das kombinierte Generator/Kühlmittelpumpen-Aggregat, das von der Igel AG entworfen wurde und den 'Innovationspreis' des Würzburger Automobil-Gipfels 2010 erhielt, konnte InDesA das Projekt von der Auslegung bis hin zum ersten Prototypentest virtuell begleiten. Das Aggregat besteht aus einem riemengetriebenen Generator, einer Kupplung, einem Elektromotor und einer Kühlmittelpumpe am anderen Wellenende (Bild 4). Die Kühlmittelpumpe kann direkt über die Welle angetrieben werden, wenn die Kupplung geschlossen ist. In diesem Fall ist der Elektromotor nicht aktiv, und die Pumpe wird mechanisch angetrieben. Ist die Kupplung offen, so wird die Wasserpumpe unabhängig vom Generator, elektrisch über den integrierten E-Motor betrieben. Dies kann bei kleinen Motordrehzahlen und bei ausgeschaltetem Motor nützlich sein, zum Beispiel für die Nachkühlung eines Turboladers.

Aus strömungs- und wärmetechnischer Sicht musste der Wassermantel zur Kühlung des Generators und die Strömungsführung zum Pumpen-Laufrad ausgelegt werden. Da die Riemenübersetzung des Generators höher ist als die der konventionellen, mechanischen Wasserpumpen, musste das Laufrad als Schnellläufer ausgeführt werden. Die Entwürfe des Laufrades und der Volute wurden deshalb auch von InDesA übernommen. Wird die konstruktive Auslegung durch die CFD-Simulation begleitet, stehen die CFD-Modelle ohne zusätzlichen Aufwand für die Überprüfung am virtuellen Prüfstand bereit. Da die Geometrie des Laufrades im Detail abgebildet wird, genügt es, die Drehzahl des Laufrades zu spezifizieren und den Gegendruck zu variieren. Innerhalb von 24 Stunden kann so ein Förderkennfeld im parallelen Rechenbetrieb für verschiedene Drehzahlen erstellt werden. Neben dem Förderkennfeld lassen sich darüber hinaus der hydraulische Wirkungsgrad berechnen und das Auftreten von Kavitation prognostizieren, was insbesondere bei Schnellläufern zu einem Leistungseinbruch führen kann.

Die virtuelle Vermessung der Kühlmittelpumpe und die hieraus abgeleiteten Leistungsdaten werden von den OEMs heute weitgehend als Leistungsnachweis akzeptiert. Das erleichtert es dem Lieferanten, den Wünschen, Anforderungen und Zielen seines Kunden schnell nachzukommen - ohne einen Prototypen in Hardware aufbauen zu müssen. Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn verschiedene potenzielle Kunden durchaus unterschiedliche Anforderungen in ihren Lastenheften definieren. Auch hier zeigte sich, dass der virtuelle Weg deutlich schneller und kostengünstiger ist als die Bestätigung der Leistungsdaten mit Prototypenversuchen.

Analyse von komplexeren Bauteilgruppen

Wie bereits erwähnt, sollte das virtuelle Prüfstandszentrum auch für Funktionstest von größeren Baugruppen und Modulen geeignet sein ¿ die sich aus einzelnen Komponenten zusammenstellen lassen, die bereits für die virtuelle Leistungsberechnung aufgebaut wurden. Ein Beispiel hierzu ist der Pkw-Kühlmittelkreislauf. Dieser hat inzwischen einen hohen Grad an Komplexität erreicht, da nicht nur der Motor, sondern auch zusätzliche Aggregate und Medien gekühlt oder geheizt werden müssen. Zu den kühlmittelseitig durchströmten Wärmetauschern gehören der Hauptkühler mit Motoröl- und Getriebeölwärmetauscher, Ladeluft- und AGR-Kühler sowie Heizungswärmetauscher. Dazu kommen Ventile und Thermostate als Steuerorgane, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Durchströmungsarten erlauben.

Vielfach werden die Massenströme und Druckverluste durch einzelne Komponenten auf aufwendigen Funktionsprüfständen vermessen. Dabei wird das System durch den Einbau von Volumenstrommessgeräten meist deutlich verändert. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass zwar der statische Druck an verschiedenen Positionen gemessen werden kann, diese sich aber nicht zur Analyse von Druckverlusten eignen. Die sich daraus ergebenden Nachteile werden in der virtuellen Welt ausgeschlossen. Es ist bereits durchaus üblich, vollständige Pkw-Kühlmittelkreisläufe als 3D-CFD-Modelle für Funktionsanalysen aufzubauen (Bild 5). Bei einer konsequenten Umsetzung des virtuellen Prüfstandskonzepts liegen die CFD-Wärmetauschermodelle virtuell vermessen vor. Das Gleiche gilt für die Kühlmittelpumpe. Der komplexere Motorwassermantel ist in der Regel ebenfalls als CFD-Modell beim Motorenentwickler vorhanden. Es fehlen dann lediglich Ventile und Thermostaten und die Schlauchverbindungen, die sich aber über die CAD-Daten bereitstellen lassen.

Prinzipiell kann ein virtueller Prüflauf für einen Kühlmittelkreislauf ähnlich wie ein Hardware-basierter Prüfstand gesteuert werden. Es sind lediglich die Pumpendrehzahlen und die Thermostat- beziehungsweise Ventilstellungen für die zu untersuchenden Fälle einzugeben. Werden allerdings am Hardware-basierten Prüfstand die spezifizierten Prüfläufe hintereinander (seriell) durchfahren, besteht in der virtuellen Welt stets die Option für den parallelen Betrieb. Bei ausreichenden Rechenkapazitäten i wie sie InDesA zur Verfügung stehen - können die Prüfläufe damit deutlich schneller als im Versuch absolviert werden. Anschließend erfolgt eine automatisierte Auswertung der Massenströme und Druckverluste aller Komponenten.

Die virtuellen Prüfstände der InDesA GmbH haben für die genannten Praxisbeispiele bereits den Nachweis erbracht, dass Prüfläufe deutlich schneller und kostengünstiger als auf herkömmlichen hardware-basierten Prüfständen absolviert werden können. Hinzu kommt der Aspekt der Umweltfreundlichkeit, da das energieintensive Temperieren der Medien überflüssig wird. Letztlich sprechen die exakte Wiederholbarkeit der Prüfläufe und damit der saubere Leistungsvergleich zwischen verschiedenen Bauständen und Varianten für das virtuelle Prüfstandskonzept.

Dr. Gerald Seider und Dr. Fabiano Bet, Geschäftsführer, Integrated Design Analysis GmbH (InDesA)

InDesA GmbH, München, Tel. 089/5527978-10, http://www.indesa.de

CD-Adapco, Nürnberg, Tel. 0911/94643-3, http://www.cd-adapco.com

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