Virtuelle Entwicklungsmethoden: Studentische Rennwagen entstehen mit HyperWorks

KA-RaceIng ist das Formula Student Racing Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Jedes Jahr entwickeln und bauen die Studenten einen neuen Rennboliden für das Formula-Student-Rennen in Hockenheim. Dank ihrer Arbeit im KA-RaceIng-Team haben die Studenten die Möglichkeit, ihr Wissen auch außerhalb der üblichen Vorlesungen und Veranstaltungen vor allem durch praktische Erfahrungen zu erweitern. Da die Rennboliden der Studententeams in nur sechs Monaten entwickelt und gebaut werden müssen, ist die Nutzung von virtuellen Entwicklungsmethoden, mit denen die einzelnen Komponenten sowie der Fahrzeugrahmen vor der Herstellung ausgelegt, optimiert und getestet werden, unerlässlich. Ein gemeinsames Design-Ziel aller Teams ist ein möglichst leichtes Fahrzeug, das gleichzeitig optimale Steifigkeitseigenschaften aufweisen soll. Außerdem müssen die Kosten für Entwicklung und Bau des Fahrzeugs so gering wie möglich sein. Weitere Anforderungen, etwa eine gute Zugänglichkeit der Komponenten für die Wartung während des Rennens, komplettieren die Liste der Randbedingungen, die man zu berücksichtigen hat. KA-RaceIng nutzt für die virtuellen Entwicklungsschritte seines Fahrzeugs Altairs CAE Suite HyperWorks.

Verschiedenste Fachrichtungen

Das Team KA-RaceIng wurde im Januar 2006 von Studenten des Karlsruher Instituts für Technologie (ehemals TH Karlsruhe) gegründet. Bereits 14 Monate später konnte das Team seinen ersten Rennwagen, den KIT 2007, präsentieren. Nach einer sehr erfolgreichen ersten Saison, in der sich der KIT 2007 in Hockenheim bereits unter den besten Zehn etablieren konnte und das Team den „Best Newcomer“ Award erhielt, war schnell klar, dass dieses Projekt als fester Bestandteil des KIT in das Arbeitsfeld der Studenten aufgenommen würde. Die knapp 60 Mitglieder des Teams setzen sich aus Studenten verschiedenster Fachrichtungen zusammen, darunter die Fachbereiche Maschinenbau, Elektrotechnik, Informatik, Wirtschaftsingenieurwesen, BWL und Physik. Bis heute, im siebten Jahr des Teams, konnten alle nachfolgenden Generationen des studentischen Teams mit ihren jeweiligen Fahrzeugen an die Erfolge des ersten Teams anknüpfen.

In diesem Jahr belegte das Team in Hockenheim in der Kategorie Elektrofahrzeuge den dritten Platz und konnte auch in den Einzeldisziplinen mit einem ersten Platz in der Auto-X-Wertung und einem zweiten Platz für Design überzeugen. In der Kategorie Verbrenner hat sich das Team den ersten Platz im Bereich Engineering Design gesichert und auch bei den dynamischen Disziplinen überzeugt. Außerdem wurde das Team mit dem „Best Use in Reinforced Plastics“ Award ausgezeichnet – für den auch der Simulationsprozess der Monocoques beider Fahrzeuge vorgestellt wurde.  

Der Entwicklungsprozess – der Verbrenner

Da während des Rennbetriebs verschiedene Wartungsarbeiten ausgeführt werden müssen, ist es für die angehenden Ingenieure des Wartungsteams enorm wichtig, schnell und ohne größeren Aufwand an die betreffenden Komponenten wie Motor oder Fahrwerk zu gelangen. Um dies zu erreichen, hat sich das Team bereits 2011 für sein Fahrzeug in der Kategorie Verbrenner für einen hybriden Fahrzeugrahmen entschieden, der im hinteren Bereich aus einem Stahlrohrrahmen besteht und im vorderen Teil mit einem CFK Monocoque kombiniert wurde. Dieser hybride Aufbau löste die reine CFK-Monocoque-Lösung aus dem Vorjahr (2010) ab. Da der Stahlrohrrahmen zusätzliches Gewicht in die Gesamtkonstruktion einbringt, war es eine besondere Herausforderung, das Gesamtgewicht des Fahrzeugs auf dem Niveau des Vorjahres zu halten. Trotz der Gewichtsnachteile überwogen die Vorteile des schwereren Stahlrohrrahmens, da er den gewünschten einfachen Zugriff auf die im Fahrzeuginneren gelegenen Systeme bot und sich darüber hinaus durch erheblich günstigere Herstellungskosten auszeichnete.

Um die Vorteile des CFK Monocoques (geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit) mit den Vorteilen des Stahlrohrrahmens (gute Herstellbarkeit, geringe Kosten und einfache Wartung durch gute Zugänglichkeit) zu kombinieren, führte das KA RaceIng Team eine Optimierung beider Chassis-Komponenten mit OptiStruct durch, der Optimierungslösung der Altair HyperWorks Suite. Dank dieser Optimierung ließ sich das zusätzliche Gewicht des Stahlrohrrahmens kompensieren.

Die Composite-Struktur wurde in einem dreistufigen Simulationsprozess optimiert. Der erste Optimierungsschritt umfasste eine Free-Size-Optimierung, mit der die Größen und die Formen der Patches in jeder Faserorientierung des Composite-Materials definiert wurden. Im zweiten Optimierungsschritt, einer Size-Optimierung, wurde die Dicke der Lagen festgelegt und im letzten Schritt, einer Shuffle-Optimierung, wurde die optimale Lagensequenz ermittelt. Durch diese Vorgehensweise ließ sich am Ende der Entwicklung, trotz Stahlrahmens, ein fast identisches Gesamtgewicht wie beim Vorgängermodell mit komplettem CFK Monocoque erreichen. Darüber hinaus ist das neue Chassis einfacher und kostengünstiger herstellbar und im Aufbau und während des Rennens wesentlich besser zu warten.

Der Entwicklungsprozess – das Elektrofahrzeug

In diesem Jahr erfuhr auch der KIT13e, das Elektrofahrzeug des Teams, eine Weiterentwicklung. Das Chassis des KIT13e wurde nach dem gleichen Prinzip verbessert wie zuvor das des Verbrenners und das Gewicht des Chassis konnte nochmals reduziert werden.

Die Anforderungen an das Monocoque eines Elektrofahrzeugs unterscheiden sich grundsätzlich von denen an einen Verbrenner. Da das Team in diesem Jahr den großen Sprung von Zweirad- auf Allradantrieb gemacht hat, wurden bei vielen elektronischen Bauteilen verbesserte, altbewährte Systeme eingesetzt. Dies ermöglichte ein sehr enges Packaging und somit ein sehr schlankes Fahrzeug. Um leichter und somit schneller sein zu können, wurde auch das Gewicht des Monocoque im Vergleich zum Vorjahr nochmals deutlich gesenkt. Dabei blieb die Torsionssteifigkeit immer noch im vorher gesteckten Zielrahmen, um ein einstellbares Fahrwerk zu gewährleisten. Das Gewicht von 11,4 Kilogramm für das Monocoque wurde mittels Simulation erreicht, die, wie beim Verbrenner, in den drei Optimierungsschritten mit OptiStruct durchgeführt wurde. Auch hier wurde wieder eine Free-Size-, eine Size- und eine Shuffle-Optimierung vorgenommen. Zusätzlich wurden, um Festigkeits- und Steifigkeitsanalysen durchzuführen, weitere virtuelle Modelle erstellt. Der komplette Simulationsprozess wurde anschließend im realen Versuch auf dem Torsionsprüfstand validiert. Mit den Ergebnissen der Simulationen sowie einem intelligenten Einsatz von HAT- (High-Tensity-) und HM- (High-Modulus-) Fasern wurde im nächsten Schritt dann das Monocoque laminiert.

Der Erfolg gibt ihnen Recht

Dank OptiStruct und dem von Altair entwickelten und vom AVK in 2012 prämierten, dreistufigen Auslegungs- und Optimierungsprozess für Verbundwerkstoffe konnte das Team KA-RaceIng seine Fahrzeuge deutlich verbessern. Sie sind bei gleichem Gewicht einfacher und kostengünstiger zu bauen, wesentlich leichter zu warten und weisen  vergleichbar gute Steifigkeits- und Torsionseigenschaften wie die Vorjahresfahrzeuge auf. Darüber hinaus konnte das Team die gesamte Optimierung vor dem Bau des ersten Prototypen durchführen, was zu einem deutlich geringerem Entwicklungs- und Testaufwand des Rennboliden geführt und so noch einmal Entwicklungszeit und -kosten eingespart hat. Mit dem hybriden Chassis war KA-RaceIng in den Jahren 2011, 2012 und 2013 sehr erfolgreich. Allein 2013 fuhren beide Rennboliden – sowohl der Verbrenner als auch das Elektrofahrzeug –unter die ersten 10 Plätze und das Team konnte die Jury in wichtigen Teilbereichen wie dem Engineering Design von seiner Arbeit überzeugen. (anm)