Optimierung eines Seitenschutz Ersatzmodells mittels Sensitivitätsstudie und adaptiven Response Surface Methoden

Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 3.0, 23./24. November 2006, Weimar

Viorel Ionescu (BMW Group)Stephan Blum (DYNARDO GmbH)

Inhalt

• Einführung

• Crashsimulation mit ABAQUS/Explicit

• Seitenaufprall Ersatzmodell

• Sensitivitätsstudie

• Optimierung

• Zusammenfassung / Ausblick

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 2

Anforderungen Insassenschutz

• Passive Sicherheit dient zum Schutz des Fahrzeuginsassen vor ernsten Verletzungen im Fall eines Fahrzeugaufpralls

• Anforderungen bezüglich Frontaufprall, Seitenaufprall, Heckaufprall, Fußgängerschutz, etc.

• wachsende Zahl der Vorschriften durch Gesetzgeber und Verbraucherschutz

• unterschiedliche Anforderungen in Europa, USA oder Japan

• kurze Entwicklungszyklen und wechselnde Anforderungen machen die virtuelle Produktentwicklung unverzichtbar

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 3

EuroNCAP

Markt Europa

Typ Barrierenaufprall

Barriere 950 kg, H=300 mm

Richtung 90° seitlich

Geschwindigkeit 50 km/h

Dummy EuroSID 2 (50%)

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 4

IIHS

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 5

Markt USA

Typ Barrierenaufprall

Barriere 1500 kg, H=379 mm

Richtung 90° seitlich

Geschwindigkeit 50 km/h

Dummy SID 2 s (5%)

Crashsimulation

• Zur Gewährleistung von Qualität und Zuverlässigkeit der virtuellen Auslegung passiver Sicherheitskomponenten fördert die BMW Group die kontinuierliche Weiterentwicklung von Simulationsmethoden

• Genauigkeit / Qualität der Simulationsergebnisse muss und kann verbessert werden

• Anforderungen an Software für die Crashsimulation:

Zuverlässigkeit, hohe Qualität der Simulationsergebnisse

motivierte und kompetente Softwareentwickler

Weiterentwicklung der Simulationsmethoden

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 6

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 7

Vorteile

• Kontakte basieren auf einem vereinheitlichten Kontakt-algorithmus; einfache Definition komplexer Kontaktbedingungen möglich

• Konnektorelemente bieten fortgeschrittene Möglichkeiten, mechanische Analyse und dynamische Mehrkörpersimulation für starre und flexible Körper durchzuführen

• numerische Robustheit (keine Anpassung numerischer Parameter durch den Benutzer)

• Reproduzierbarkeit der Simulationsergebnisse

ABAQUS/Explicit

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 8

Seitenaufprall Ersatzmodell

• Verwendung eines vereinfachten Schlittenmodells

• Modellierung einer generischen Seitenverkleidung aus fünf Starrkörperelementen

• Deformationsverhalten der Seitenverkleidung wird durch Konnektorelemente mit bestimmten Steifigkeitsfunktionen abgebildet

• Verwendung eines aktuellen Thorax-Pelvis Airbags

• resultierende Dummykinematik ist vergleichbar mit realen Seitenaufprall Tests

AufgabenstellungEuroSID 2 Dummy

SID IIs Dummy

• Optimierung der Form und Steifigkeit der Seitenverkleidung und Airbagparameter bezüglich der Einhaltung der Grenzwerte der Verletzungskriterien für die Lastfälle EuroNCAP und IIHS

• Für jedes Design müssen beide Lastfälle mit dem zugehörigen Dummymodell (EuroSID 2 / SID IIs) berechnet werden

• Ziel: Parameterkonfiguration, bei der für beide Lastfälle alle Grenzwerte eingehalten werden

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 9

Sensitivitätsanalyse

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 10

Variable Referenzwert Untere Grenze Obere Grenze

massflow_scaleSkalierungsfaktor Massenstrom

1.0 0.9 1.1

ZZPZündzeitpunkt Airbag

0.005 0.0 0.005

Vent_Ch1Skalierungsfaktor

0.6 0.45 0.75

Vent_Ch6Skalierungsfaktor

0.8 0.6 1.0

thorax_posThorax Barrierenposition

-20 -20 0

abdomen_posAbdomen Barrierenposition -120 -120 -50

pelvis_posPelvis Barrierenposition

50 0 50

abdom_forceAbdomenbarriere Maximalkraft

3000 1500 4500

head_forceKopfbarriere Maximalkraft

2000 1000 3000

bein_forceBeinbarriere Maximalkraft

2000 1000 3000

pelvis_forcePelvisbarriere Maximalkraft

8000 4000 9000

thorax_forceThoraxbarriere Maximalkraft

2000 1000 3000

velocityAnfangsgeschwindigkeit

-8000 -9000 -6000

Variation der Responses

EuroSID 2 Dummy SID IIs Dummy

• Die Zielwerte der Antwortgrößen sind in den Variationsbereichen der Sensitivitätsstudie enthalten (Ausnahme: UPR_RIB_DEFL EuroSID 2)

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 11

Korrelationsanalyse

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 12

• Von den 13 variierten Parametern besitzen nur 6 nennenswerte Korrelationen zu den Antwortgrößen

Bestimmtheitsmaße

• Die Bestimmtheitsmaße der einzelnen Antwortgrößen zeigen die für die Variation der Antworten wichtigen Eingangsparameter

⇒ Reduktion des Optimierungsproblems auf 6 Designvariablen

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 13

Startpunkt der Optimierung

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 14

• Auswertung der Zielfunktion für alle berechneten Designs der Sensitivitätsstudie

• Auswahl des Best Design als Startpunkt der Optimierung (objective = 1.0368)

Ergebnis ARSM

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 15

• Optimierung mittels Adaptiver Response Surface Methode (ARSM)

• Es konnte eine Verbesserung bezüglich der Zielfunktion erreicht werden (1.0368 → 1.0106)

• Für die Antwortgröße UPR_RIB_DEFL des EuroSID2 Dummy konnte keine Konvergenz zum zulässigen Grenzwert erzielt werden.

Ergebnis ARSMStart Ergebnis

• Konvergenz der Optimierungs-parameter durch adaptive Anpassung des Designraumes

• Optimierte Geometrie der Seitenverkleidung führt zu verbesserter Belastung des Dummy

Optimierung Seitenschutz Ersatzmodell 16

Zusammenfassung

• Anhand eines vereinfachten Schlittenmodells konnte prinzipiell gezeigt werden, dass die Optimierung eines Seitenaufprall Modells bezüglich der Einhaltung der Grenzwerte unterschiedlicher Lastfälle möglich ist.

• Die Varianzschätzung der Sensitivitätsstudie gibt bereits Aufschluss über das Optimierungspotenzial.

• In einem nächsten Schritt soll die beschriebene Vorgehensweise an Substruktur-Modellen realer Fahrzeugumgebungen verifiziert werden.

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