Optimierung von Formel-1-Rennfahrzeugen durch CFD-und FEA-Software Im Sog der Geschwindigkeit – KEM
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Im Sog der Geschwindigkeit

Optimierung von Formel-1-Rennfahrzeugen durch CFD-und FEA-Software
Im Sog der Geschwindigkeit

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Das Jahr 2013 war erneut ein Erfolgsjahr für den Formel-1-Rennstall Infiniti Red Bull Racing. Zum vierten Mal in Folge sicherte sich Sebastian Vettel die begehrte Siegertrophähe und Infiniti Red Bull Racing den ersten Platz bei der Konstrukteursweltmeisterschaft. CFD-und FEA-Tools haben dabei eine wichtige Rolle gespielt.

Dieser Beitrag stammt von der Ansys Germany GmbH, Darmstadt

„Wir sind davon überzeugt, dass die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Ansys-Simulationslösungen letztendlich zu Siegen auf der Rennstrecke führen und uns gleichzeitig dabei helfen, die strengen Rennvorschriften dauerhaft zu erfüllen“, sagt Nathan Sykes, CFD- und FEA- Tools Team-Leader bei Infiniti Red Bull Racing. Neben Tests an Prototypen und im Windkanal spielen Simulationen eine immer wichtigere Rolle für den Rennsport. Sie verkürzen die Entwicklungsdauer neuer Bauteile und Design-Verbesserungen erheblich, da zum einen die Entwürfe schon vor der kosten- und zeitintensiven Umsetzung in Prototypen getestet und mögliche Fehlerquellen frühzeitig eliminiert werden können. Zum anderen sinkt die Anzahl der benötigten Prototypen, da der Detailgrad der simulierten Modelle stets angehoben wird und sie somit immer verlässlichere Daten liefern, die sich in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle mit den im Nachhinein real gemessenen Werten decken.
Durch die immer weiter steigende Verlässlichkeit und Realitätsnähe der Simulationen, können im Vorfeld auch Bauteile optimiert werden, die ansonsten nur im Windkanal, mit aufwändigen Prototypen oder auf der Strecke selbst getestet werden können, was die Erfolgsquote der Designs und Effizienz der einzelnen Teile beträchtlich steigert.
Aerodynamik und CFD
Infinti Red Bull Racing nutzt zur Optimierung der Aerodynamik der Rennwagen neben Windkanal-Tests insbesondere die Ansys-Lösungen für Computational Fluid Dynamics (CFD) und High-Performance-Computing (HPC). Der zunehmende Einsatz von HPC-Systemen ermöglicht wichtige Trends in der technischen Simulation. Größere Modelle mit mehr Details und die Berücksichtigung vielfältiger physikalischer Phänomene führen zu realitätsnahen Simulationsergebnissen und verringern damit die Notwendigkeit für umfangreiche Testläufe. Durch den Einsatz von HPC-Systemen lassen sich auch sehr anspruchsvolle und genaue Simulationen innerhalb des vorgegebenen Projektzeitrahmens abarbeiten. Ein weiterer Trend geht hin zu einer höheren Zahl an Simula- tionsrechnungen. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Entwürfe betrachten, Parameterstudien durchführen und sogar eine automatisierte Designoptimierung verwirklichen. HPC-Systeme liefern die benötigte Durchsatzleistung, um mehrere Simulationen simultan auszuführen und Entwürfe in einer frühen Projektphase einzugrenzen. Ein Schlüsselgebiet zur Anwendung von CFD-Simulationen im Rennsport ist die Minimierung des Luftwiderstands. Die Herausforderung besteht darin, genug vertikale Kraft zu erzeugen, sodass die Reifen die optimale Bodenhaftung auf der Strecke – und damit ideale Beschleunigung und Straßenlage – erhalten und gleichzeitig die verlangsamende Luftreibung möglichst gering zu halten. Bei den extremen Geschwindigkeiten und Fliehkräften von bis zu 4,5 g in Kurven und bis zu 6 g beim Abbremsen haben selbst kleinste Veränderungen im Design Auswirkungen auf die Aerodynamik und das Fahrverhalten. Im Prinzip werden Formel 1-Wagen entwickelt wie ein kopfstehendes Flugzeug. Designanpassungen selbst kleiner Bauteile der Karosserie aufgrund von CFD-Untersuchungen, können im Rennen die entscheidenden Zehntel- und Hundertstelsekunden Vorsprung für den Sieg ausmachen.
Auch in Bezug auf die Rennstrecken sind Simulationen mittlerweile ein wichtiger Faktor. Die Anzahl und Anordnung der Kurven und Geraden je Strecke ist ausschlaggebend für das Fahrverhalten und die Strömungssituation, in der der Rennwagen Höchstleistungen erbringen muss – ein Kurs in Deutschland unterscheidet sich in den Umweltbedingungen gravierend von einem Kurs in Singapur. Es müssen also für jeden Kurs individuelle Anpassungen am Wagen vorgenommen werden, um die optimale Performance zu sichern. Durch Simulation der Bedingungen zwischen den Rennen können diese Anpassungen zeit- und kosteneffizient mit dem bestmöglichen Ergebnis durchgeführt werden.
Schneller durch HPC
Für die Rennsaison 2014 hat das World Motorsport Council der Fédérdation Internationale de l’Automobile (FIA) Regeländerungen für die Formel 1 beschlossen, die auch die Ingenieure der Rennställe betreffen. Zwar kommt eine Teilaufhebung des Testverbots auf den jeweiligen Strecken während der Saison den Konstrukteuren entgegen, doch die bisher schon strikt begrenzte Anzahl und Dauer von Tests im Windkanal und CFD-Strömungssimulationen, die den einzelnen Teams zur Verfügung steht, wurde im Gegenzug verringert. Aus diesem Grund gewinnt sowohl die Geschwindigkeit des Simulationsprozesses als auch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Simulationen selbst eine zentrale Bedeutung. Um weiterhin Leistungsverbesserungen zu erzielen, müssen entweder mehr kleinere Simulationen mit höherem Detailgrad – heißt feineren Rechengittern – oder größere, hochkomplexe 360-Grad-Simulationen, wie für einen kompletten Rennwagen, in weniger Zeit durchgeführt werden. I

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