NASCAR will mithilfe von Simulation nicht auf der Strecke bleiben

Im vergangenen Herbst überschlug sich Ryan Preece während des NASCAR-Cup-Rennens auf dem Daytona International Speedway auf der Gegengeraden. Die Reaktionen auf den Tribünen: erschrockenes aufatmen, stöhnen und Tränen, gefolgt von hörbaren Seufzern der Erleichterung und Applaus, als es Preece mit etwas Hilfe gelang, aus dem Fenster auf der Fahrerseite in Sicherheit zu klettern.

In der Zeitlupenwiederholung war zu sehen, wie Preeces Auto in die Luft flog, sich dann unkontrolliert im Gras drehte und kopfüber landete. Dennoch erhielt er am nächsten Tag die Freigabe, in den Flieger nach Hause zu steigen und sich auszuruhen, um wenig später wieder auf die Rennstrecke zurückzukehren.

Vielen kam es wie ein Wunder vor, Preeces aussteigen zu sehen. Es waren jedoch die drastischen Sicherheitsverbesserungen der NASCAR, darunter die Kopf- und Nackenstütze, die Gurte an den Sitzen, die Cockpit-Struktur und die Fensternetze, die an jenem Tag ihre Wirkung zeigten.

Schauen Sie sich an, wie Simulation es der NASCAR ermöglicht, die Next-Gen-Fahrzeugdesigns kontinuierlich weiterzuentwickeln, um das Risiko auf der Rennstrecke zu minimieren.

Stock-Car-Rennen sind zweifelsohne gefährlich - weshalb die NASCAR bis zum Äußersten geht, um sicherzustellen, dass die Fahrer glimpflich davonkommen. In Episode 8 der Ansys Online-Doku-Serie "Driven by Simulation" erfahren Sie, wie die Rennorganisation durch Simulation ihre Next-Gen-Fahrzeugdesigns kontinuierlich weiterentwickelt, um das Risiko auf der Rennstrecke zu minimieren.

Die NASCAR hat in Zusammenarbeit mit Fahrern, Teams und Herstellern eine neue Fahrzeuggeneration entwickelt - das NASCAR Next Gen Car - mit dem Ziel, die Kosten für die Teams weiter zu senken und die Rennen für die Fans attraktiver denn je zu machen.

Eine Entwurfsreihe ohne Fehlgriffe

Man sagt, NASCAR sei für Stock-Car-Rennen das, was die NFL für Football ist - beide haben in ihrem jeweiligen Sport enorme Bekannheit erlangt. Die Cup Series ist die führende Rennserie der NASCAR mit ihrem Next Gen Stock Car, das auf einer standardisierten Teileplattform aufgebaut ist. Die neuen Fahrzeugteile und die flexiblere, haltbarere Karosserie aus Kohlefaserverbundwerkstoff werden von einem einzigen Hersteller geliefert. Die Motoren und das Fahrzeugdesign variieren zwischen Chevrolet, Ford und Toyota und ähneln jeweils dem Straßenfahrzeugen Camaro, Mustang bzw Camry.

Das Gen-7 ist die neueste Version des Cup-Series-Fahrzeugs. Sie kann auf zwei Pakete von V8-Motoren zurückgreifen - eines, das auf den Superspeedways 510 PS leistet, und ein weiteres, das auf den Intermediate-Strecken 670 PS leistet. Beide sind mit einem Fünf-Gang-Getriebe gekoppelt, das eine größere Auswahl an Schaltstufen bietet als sein Vorgänger mit vier Gängen. Zu den weiteren Verbesserungen gehören ein 4-Zoll-Heckspoiler mit geringem Abtrieb (7 Zoll für die Superspeedways), ein verbessertes Bremssystem und eine Einzelradaufhängung der Hinterräder mit einstellbaren Dämpfern zur Feinabstimmung.

Der Charlotte Motor Speedway ist für die meisten NASCAR-Teams ein "Heimspiel" und liegt im Herzen des "NASCAR-Country": Die meisten NASCAR-Rennteams haben ihren Hauptsitz in und um Charlotte, North Carolina.

Abgesehen von den beeindruckenden technischen Daten sind der Zeitpunkt und das Ausmaß der Neugestaltung vielleicht der spannendste Teil der Gen-7-Geschichte - weil die NASCAR jahrzehntelange Entwicklungen über Bord warf und stattdessen eine völlig neue Plattform schuf, die von allen Rennteams in der Cup-Serie verwendet werden sollte. Die Abkehr von älteren Designelementen (von denen einige bis in die 1960er Jahre zurückreichen) würde die Serie für Hersteller (OEMs) und Fans sicherlich relevanter machen. Aber war es ein richtiger Schritt für die NASCAR?

Ja, das war er, dank Simulation.

"Auf der Rennstrecke gibt es zahlreiche Möglichkeiten, wie die Autos verunfallen können - einige übersteigen sogar unsere Vorstellungskraft", sagt Dr. John Patalak, Vizepräsident für Sicherheitstechnik bei NASCAR. "Aber mit LS-DYNA können wir alle diese Möglichkeiten mit der Gewissheit durchspielen, dass wir ein sehr robustes Design entwickelt haben- und das ganz ohne, dass wir zu einem realen Test gezwungen wären." 

Die Ausführung von Ansys LS-DYNA in Ansys Cloud Direct ermöglicht es dem NASCAR-Entwicklungsteam, ihre Entwürfe schnell zu testen, zu verbessern und innerhalb der Grenzen des Reglements vollständig zu optimieren, bevor sie in einer Crashtesteinrichtung bewertet werden.

Gen-7-Sicherheit erhält von Ansys LS-DYNA grünes Licht

Das Fahren bei hohen Geschwindigkeiten erfordert kürzere Reaktionszeiten. Wenn bis zu 40 Autos mit über 200 Meilen pro Stunde über mehr als 200 Runden gegenseitig überholen, gibt es zwangsläufig Probleme. Hat man erst einmal seine Takt gefunden, reichen Sekundenbruchteile und ein einziger Fahrfehler aus, um eine Massenkarambolage zu verursachen. Die NASCAR-Ingenieure sind sich dessen sehr bewusst, weshalb sie sich bei der Entwicklung und Feinabstimmung ihrer "Gen-7"-Fahrzeugplattform der nächsten Generation im Hinblick auf Leistung und Sicherheit auf die Simulation verlassen.

Die Einführung der Ansys-Software erwies sich als ein entscheidender Moment. Zum ersten Mal in der Geschichte von NASCAR wurde der Großteil der Crashtests durch Simulationen durchgeführt. Die Vernetzung und Erstellung eines vollständigen Ansys LS-DYNA-Fahrzeugmodells ermöglichte es dem Team, sofort alle verschiedenen Aufprallarten, die mit NASCAR-Rennwagen passieren könnten, zu bewerten. Einschließlich Frontalaufprall, Dachaufprall, seitlicher Aufprall, Heckaufprall und Schrägaufprall.

"Wir haben die Möglichkeit, LS-DYNA zu nutzen", sagt Patalak. "Wir können Hunderte oder Tausende von Simulationen durchführen, um alle Details und Nuancen zu bewerten, wie das Auto funktionieren soll, bevor wir uns entscheiden, das Geld für die Rennwagen auszugeben."

Die Ausführung von LS-DYNA in Ansys Cloud Direct ermöglicht es dem NASCAR-Entwicklungsteam, Konstruktionen schnell zu testen, zu verbessern und innerhalb der Grenzen des Reglements vollständig zu optimieren, bevor sie in einer Crashtesteinrichtung bewertet werden. In Anbetracht der Kosten für die Durchführung physischer Crashtests (ca. 500.000 US-Dollar pro Test) können sich die Einsparungen wirklich sehen lassen. In diesem Fall war die Einsparung besonders groß: nach mehr als 5.000 LS-DYNA-Crashtest-Simulationen waren nur wenige physische Crashtests erforderlich, um das Next-Gen-Design von NASCAR zu verifizieren und zu validieren.

Digitale Dummys ermöglichen Einblicke in Crashtests

Einer der wichtigsten Faktoren für das Team bei der Designbewertung ist die Wirkung auf die Fahrzeuginsassen in einer Rennsport-Umgebung.

Wenn Sie also einen Crashtest-Dummy nach monatelangen Tests auf dem Schlitten nach seinen Erfahrungen fragen würden, was würde er sagen? Nun, nichts, natürlich. Wenn man sich jedoch mehrere Aufprallsimulationen mit Crashtest-Dummys in einer virtuellen Umgebung ansieht, kann man leicht erkennen, welche Auswirkungen ein Aufprall auf die Dummys im Fahrersitz hat. Wenn sie beispielsweise in einem bestimmten Winkel und mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf ein Hindernis treffen.

"Wir verwenden fortschrittliche menschliche Körpermodelle in einer NASCAR-Sitzplatzumgebung, um das Rückhaltesystem, die Sicherheitssysteme und die verschiedenen Verletzungsminderungssysteme, die wir in unserem Auto haben, zu bewerten", sagt Dr. Sayak Mukherjee, Simulationsingenieur für Sicherheit bei NASCAR. "Die Idee dahinter ist, die Verletzungen des Fahrers im Falle eines Zwischenfalls auf der Strecke zu reduzieren."

Die Modellierung von Fahrern in einer virtuellen Umgebung ermöglicht es dem Team, die Reaktion der Insassen in verschiedenen Crashtest-Szenarien zu untersuchen, verschiedene Verletzungsmetriken zu betrachten und zu versuchen, Sicherheits- oder Schadensbegrenzungssysteme einzubauen, die das Verletzungsrisiko verringern können, um sicherzustellen, dass alle Beteiligten unversehrt davonkommen.

Diese Praxis begann schon früh im Designprozess der nächsten Generation. Elemance, ein Ingenieurbüro, das sich dem menschenorientiertem Design verschrieben hat, verwendete ein virtuelles menschliches Körpermodell, das vom Global Human Body Models Consortium (GHBMC) entwickelt wurde, und führte mit Hilfe von Ansys LS-OPT, einem Paket zur Designoptimierung und Wahrscheinlichkeitsanalyse, Tests für NASCAR durch.

Zu diesem Zeitpunkt wurden Tausende von Stoßfängersimulationen mit LS-OPT durchgeführt, die positive Ergebnisse lieferten. Die NASCAR war mit dem Ergebnis so zufrieden, dass sie sich entschied, diese Teile noch vor den physischen Crashtests zu bauen, was natürlich eine beträchtliche Einsparung bedeutete. Dennoch ist das große Ziel für NASCAR auf der Rennstrecke die Sicherheit.

"Simulation ist sehr, sehr kosteneffizient, aber von meinem Blickwinkel bewerte ich die Wichtigkeit des Tools anhand der Verbesserungen, die es am Design vornehmen kann, und anhand des Vertrauens, das es uns in dieses Design gibt", sagt Patalak. "Die Kosten sind für uns in Bezug auf die Sicherheit wirklich zweitrangig, aber wir können tatsächlich einen Test durchführen und erleben dank der Simulationsarbeit keine bösen Überraschungen mehr."

Zeit, noch einen Gang höher zu schalten

Verpassen Sie nicht Folge 9 unserer Online-Doku-Serie "Driven by Simulation." Wir werden einen Gang hochschalten und untersuchen, wie die Automobilzulieferer APTIV und Infineon die Simulation nutzen, um Softwaresysteme zu entwickeln und Systeme von Systemen, die künftig unsere Reisen definieren werden.