Von wegen Kabelsalat: So lassen sich Kabelsysteme in Fahrzeugen genauer simulieren

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Das Projekt ProP4CableSim soll dabei helfen, die elastischen Eigenschaften der Kabelsysteme im PKW für die Einbausimulation vorherzusagen.

• Bei der Kabelmontage können große Deformationen auftreten.

• Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM beschäftigt sich im Projekt »ProP4CableSim« mit der Vorhersage der elastischen Eigenschaften der dabei eingesetzten Kabelsysteme.

• Partner des Fraunhofer ITWM sind die Universität des Saarlandes sowie das ITWM Spin-off fleXstructures GmbH.

Bis zu zwei Kilometer Gesamtlänge erreichen Kabelsysteme in einem Fahrzeug. Verbaut sind hierbei bis zu 900 verschiedene Kabeltypen mit jeweils unterschiedlichen Funktionen und Strukturen. Durch die zunehmende Digitalisierung in modernen Pkw steigt die Anzahl der benötigten Kabel immer weiter an. Das Problem: die Messung der mechanischen Eigenschaften des Kabelsystems ist kosten- und zeitaufwändig. Gleichzeitig liegen in der Entwicklungsphase meist keine Prototypen der Kabelsysteme für Messungen vor.

Kabeleigenschaften simulieren und vorhersagen

Eine effiziente Methode, die mechanischen Eigenschaften eines Kabelsystems zu bestimmen, besteht in der experimentellen Messung, kombiniert mit der datenbasierten Vorhersage der Systemeigenschaften. Hier setzt ProP4CableSim (Property Predictor for Cable Simulations) an. Denn das Projekt will die elastischen Eigenschaften von Kabelsystemen für die Einbausimulation vorhersagen. Damit können Anwenderinnen bereits in frühen Designphasen die mechanischen Eigenschaften der Kabelsysteme abschätzen und damit eine Bauraumauslegung planen.

Update für die strukturmechanische Simulation der Kabelsysteme

ProP4CableSim ergänzt »IPS Cable Simulation«, das Softwarepaket für die strukturmechanische Simulation von Kabeln, Kabelsystemen und Schläuchen; entwickelt wurde es am Fraunhofer ITWM und seinem schwedischen Schwesterinstitut Fraunhofer-Chalmers Centre for Industrial Mathematics FCC in Göteborg.

Bereits nutzen Erstausrüster der Automobilindustrie IPS Cable Simulation und können sich mittels ProP4CableSim zudem auf viele neue Anwendungsszenarien vorbereiten. Auch die Kopplungseffekte von Biegung und Torsion sowie nichtlineares Verhalten der Kabel werden am Ende des Projekts simuliert.

Daten und Modelle aus der Wissenschaft

In ProP4CableSim fließen Forschung, anwendungsorientierte Wissenschaft und Industriepraxis zusammen, deshalb profitiert das Projekt von den unterschiedlichen Schwerpunkten und Kenntnissen der Beteiligten: Der Lehrstuhl für Technische Mechanik LTM der Universität des Saarlandes leistet die experimentelle Untersuchung von Kabelproben und bestimmt die mechanischen Parameter von Kabelsystemen.

Die Mitarbeitenden des ITWM-Bereichs »Mathematik für die Fahrzeugentwicklung« kennen sich mit mathematischen Methoden für die digitale Fabrik aus. »Die Daten des LTM nutzen wir für unsere Materialmodellierung«, erläutert die Ingenieurin Dr.-Ing.  Vanessa Dörlich. »Wir konzentrieren uns dabei auf die Biege-Torsions-Kopplung sowie nichtlineares Verhalten. Das elastische Verhalten kleinerer Verformungen von Kabeln kann man bereits gut beschreiben, wenn nur eine Belastungsart vorliegt, zum Beispiel Zug. Komplizierter wird es bei größeren räumlichen Deformationen, weil hier oft zusätzlich Kopplungseffekte berücksichtigt werden müssen. Die modellierten Materialgesetze binden wir dann prototypisch an IPS Cable Simulation an«.

Die Forschenden verwenden, wie bereits in vorherigen Projekten, Machine-Learning-Algorithmen. Ergebnisse des Fraunhofer-Projekts »UrWerk«, das sich mit Werkstoffdatenräumen für die Produktentwicklung beschäftigt, ergänzen die Arbeit an ProP4CableSim.

Materialproben aus der Anwendung

Anwendungspartner ist die Fraunhofer-Ausgründung fleXstructures GmbH, die eng mit der Automobilindustrie zusammenarbeitet. Von ihr kommen die Materialproben, sozusagen aus erster Hand. »Mit den Materialproben stellen wir sicher, dass die Kabelsysteme, welche die Industrie benutzt, auch in den Messreihen berücksichtigt werden. Das Probenmaterial deckt die Vielfalt realer Bündelstrukturen ab, repräsentiert also alle möglichen Varianten an Kabeln und Schläuchen«, erläutert Dr.-Ing. Michael Koch, Forschungskoordinator bei fleXstructures GmbH.

Kabelsysteme: Schneller von der Theorie zur Praxis

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft fördern trilaterale Projekte wie ProP4CableSim, um Lücken zwischen Grundlagenforschung und Anwendung schneller zu schließen.

ProP4CableSim startet jetzt und läuft voraussichtlich drei Jahre. Die Fördersumme beträgt 850'000 Euro; davon bekommt das Fraunhofer ITWM rund eine halbe Million. Die fleXstructures GmbH wird in diesem Programm nicht explizit gefördert, sondern bringt eine halbe Million Euro in Eigenleistung ein. Dafür profitiert die Firma im Nachgang des Projekts von der industriellen Verwertung der Forschungsergebnisse.

Bild oben: Bei der Kabelmontage können große Deformationen auftreten; sie besser zu beschreiben, ist ein Ziel von ProP4CableSim. Bild © fleXstructures/Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Weitere Informationen:

• zum Projekt Mathematik in der Fahrzeugentwicklung: https://www.itwm.fraunhofer.de/de/abteilungen/mf/kabel-schlaeuche-flexible-strukturen.html

• zur fleXstructures GmbH: https://flexstructures.com/

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