DE19818582A1 - Visualisierung von Kraftfluß- und Momentenverläufen in einer Struktur oder in Elementen aus dieser Struktur - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Kraftfluß- und Momentenverläufen in einer Struktur, insbeondere bei der Nachbearbeitung nach der Berechnung einer Crash-Situation bei einem Fahrzeug, wobei entlang wenigstens eines Elements der Struktur zumindest an diskreten Positionen jeweils darauf einwirkende Kraft- oder Momentenkomponenten berechnet werden. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches Visualisieren der Kraft- und Momentenverläufe. DOLLAR A Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein im wesentlichen entsprechend dem geometrischen Verlauf einer charakteristischen Linie des Strukturelements sich erstreckendes Visualisierungsobjekt erzeugt wird, dessen Dicke, Breite, Durchmesser oder Farbe einem jeweiligen Kraft- oder Momentenwert der Kraft- oder Momentenkomponenten in einem zugeordneten Abschnitt des Strukturelements entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung von Kraftfluß- und Momentenverläufen in einer Struktur oder in Elementen aus dieser Struktur gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gerade in jüngster Zeit haben sich Computer-Simulationen in einem weiten Bereich der Technik zur Kostenreduzierung und Beschleunigung von Kon­ struktionsabläufen verstärkt durchgesetzt. Auch bei der Fahrzeugentwicklung werden verschiedene Simulationstechniken eingesetzt.

Ein besonders wertvolles Instrument stellt beispielsweise die Computer- Simulation von Crash-Versuchen dar. Greift man nicht auf solche Simulati­ onstechniken zurück müßten Crashs von Prototypen durchgeführt werden. Solche Versuche sind zum einen sehr kostenaufwendig. Zum anderen ist eine wirksame Ursachenforschung verschiedener Effekte nur möglich, wenn bei jeweils aufeinanderfolgenden Tests nur eine Variable verändert wird. In­ sofern ist das sog. Prototypen-Testing auch besonders langwierig.

Eine Computer-Simulation unterteilt sich prinzipiell in drei Phasen, nämlich das sog. Pre-Processing, die Berechnungsphase und das sog. Post- Processing.

Im Pre-Processing werden Datenmodelle eines Objekts erzeugt die dieses Modell möglichst vollständig beschreiben. Beispielsweise wird eine Struktur oder die verschiedenen Strukturelemente einer Struktur durch eine Vielzahl von finiten Elementen (Finite-Elemente-Methode) beschrieben.

Bei der Simulation einer Crashsituation werden die Auswirkungen von ver­ schiedenen Aufprallsituationen dann durch eine Finite-Elemente-Berechnung untersucht.

Schließlich müssen die berechneten Auswirkungen einer solchen Crashsi­ tuation visualisiert werden. Dazu sind beispielsweise 3D-Graphik-Pro­ gramme bekannt, die z. B. physikalische Eigenschaften der Struktur durch flächenhafte Einfärbung sichtbar machen.

Bei der Sichtbarmachung von in einer Struktur oder in Elementen dieser Struktur auftretenden Kräften werden zunächst Finite-Element-Modell­ berechnungen durchgeführt. Anschließend können Schnittebenen durch be­ stimmte Strukturelemente, also Teile einer Struktur, definiert und dann Kraft- Diagramme angefertigt werden. Diese Kraft-Diagramme stellen den Kraft­ verlauf in dieser Ebene beispielsweise in einer zeitlichen Reihenfolge dar. Da eine Vielzahl von Querschnittsebenen und Einflüssen in den verschiedenen Strukturelementen dargestellt werden muß und somit eine große Anzahl von Diagrammen notwendig ist, können Analysen nur sehr zeitaufwendig durch­ geführt werden. Darüber hinaus kann die Komplexität der Vorgänge nur be­ dingt erfaßt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bei Computerberechnungen gewonnenen Daten für Kraftfluß- und Momentenflußverläufe auf einfachste Weise zu vi­ sualisieren. Die Auswertung einer Vielzahl von Diagrammen sollte dabei möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß ist ein Verfahren angegeben, bei dem entlang wenigstens eines Teils oder Elements einer Struktur zumindest an diskreten Positionen jeweils einwirkende Kraft- oder Momentenkomponenten berechnet werden und bei der Visualisierung ein Visualisierungsobjekt erzeugt wird, dessen geometri­ scher Verlauf dem geometrischen Verlauf einer charakteristischen Linie des zu untersuchenden Strukturelements, also Teils oder Teile der Struktur, ent­ spricht. Die Dicke, Breite, der Durchmesser oder die Farbe des so erzeugten Visualisierungsobjekts entspricht dann dem Kraft- oder Momentenwert der Kraft- oder Momentenkomponenten in der jeweils zugeordneten Position des Strukturelements oder der Strukturelemente.

Insbesondere kann das Visualierungsobjekt schlauchförmig ausgebildet sein und gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform in das Strukturelement derart gelegt werden, daß eine charakteristische Linie des Strukturelements mit einer charakteristischen Linie des Visualisierungsobjekts zusammenfal­ len. Charakteristische Linien können dabei beispielsweise die Mittellinie ei­ nes zugeordneten Objekts sein.

Alternativ kann das Visualisierungsobjekt parallel in der Nähe der zu defor­ mierenden Struktur angeordnet werden. Doch ist mit der oben genannten deckungsgleichen Projektion des Visualisierungsobjektes in das zugeordnete Strukturelement eine bessere Zuordnung und Übersicht insbesondere bei komplexen Strukturen und der Darstellung von mehreren Visualisierungsob­ jekten möglich.

Die vorliegend verwendeten Strukturelemente oder Teile der Gesamtstruktur haben vorzugsweise eine längliche Form.

Bei einem schlauchförmigen Visualisierungsobjekt entspricht der jeweilige Radius an jeder Stelle der dieser Position zugeordneten Kraft oder dem die­ ser Position zugeordneten Moment in dem Abschnitt des Strukturelementes. Insgesamt können die sektionsweise erfaßten Kräfte wie ein "Flüssigkeitsstrom" in einem flexiblen Schlauch dargestellt werden. Bei zeit­ lich aufeinanderfolgenden Abbildungen dehnen sich Teile des Schlauches aus, wenn beispielsweise longitudinale Kräfte durch den entsprechenden Teil zunehmen, wogegen sich andere Teile der schlauchförmigen Struktur zusammenziehen, wenn eine Abnahme der Kraft in diesem Strukturabschnitt vermittelt werden soll.

Insbesondere bei einer longitudinalen Deformation kann die Deformation der gesamten Strukturen bzw. von verschiedenen Strukturelementen gleichzeitig geprüft und deren Eigenschaft, Kräfte oder Momente zu absorbieren, sicht­ bar gemacht werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Visualisierungsobjektes derart, daß die Ausrichtung und/oder der Verlauf der Kraft- oder Momen­ tenkomponentenorientierung gleichzeitig angezeigt werden kann. Bei der Verwendung eines Schlauches zur Visualisierung muß noch zusätzlich die Information über die dargestellte Kraft- oder Momentenrichtung angezeigt werden. Zur Richtungsanzeige könnte beispielsweise ein Halbschlauch zur Visualisierung verwendet werden, wobei die diesen Halbschlauch begren­ zende ebene Fläche oder deren Normale die Richtungsinformation beinhal­ tet. Bei der Darstellung von Biegemomenten mit einem Halbschlauch könnte eine Auswölbung nach oben eine Durchbiegung der longitudinalen Struktur nach oben darstellen.

Bei der Darstellung von Torsionsmomenten könnte zusätzlich zu dem Schlauch oder Halbschlauch noch eine spiralförmige Linie oder dergleichen auf diesem angeordnet werden, um die Torsionsrichtung entlang der longitu­ dinalen Struktur anzuzeigen.

Gemeinsam ist allen vorgenannten Ausführungsformen eine einfache und schnelle Darstellung auch komplexer Kraft- oder Momentenverläufe in einer Struktur.

Weitere Vorteile und Merkmale sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, nachfolgend beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Fahrzeugstruktur mit den wichtigsten Strukturelementen,

Fig. 2 einige Strukturelemente aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Visualisierungstechnik anhand eines ausgewählten Struk­ turelements bezüglich der Kraftflußverläufe und

Fig. 4 eine Visualisierungstechnik anhand eines ausgewählten Struk­ turelements bezüglich der Momentenverläufe.

In Fig. 1 ist eine Struktur eines Kraftfahrzeuges mit den für eine bestimmte Crash-Situation wichtigsten Strukturelementen dargestellt. Die Daten für die­ se Struktur werden beim sog. Pre-Processing erzeugt. Das so erzeugte Ob­ jekt kann auf einem Bildschirm graphisch dargestellt werden.

Die Berechnung einer Crash-Situation kann durch eine Finite-Elemente- Berechnung durchgeführt werden, wobei jedes Strukturelement aus einer Vielzahl von einzelnen Elementen besteht, die entsprechend dem jeweiligen Test verschiedenen Dehn- und Stauchkräften sowie Momenten unterworfen sind. Bei der Simulation eines solchen Tests werden die Strukturdaten für vorgegebene, aufeinanderfolgende Zeitpunkte berechnet. Diese Daten kön­ nen dann im sog. Post-Processing in gewünschter Form beispielsweise auf einem Bildschirm dargestellt werden, wodurch der Crash-Ablauf und die Crash-Auswirkungen erkennbar werden.

Bei der Analyse einer Crash-Situation bzw. eines Crash-Ablaufes sind je­ doch nicht nur die tatsächlich auftretenden Verformungen beim Fahrzeug interessant, sondern auch die während der Crash-Simulation auftretenden Kraftflüsse und Momentenverläufe. Beispielsweise ist es möglich, daß eine Verformung nicht an einer Stelle der maximalen Kraft- oder Momentenein­ wirkung stattfindet. In einem solchen Fall gibt nur eine Information über den Kraft- bzw. Momentenfluß Auskunft über die Stabilitätseigenschaften der zu untersuchenden Struktur.

In Fig. 2 sind nur einige Strukturelemente der in Fig. 1 dargestellten Struktur 10 herausgenommen, insbesondere zwei sich in Längsrichtung des Fahr­ zeugs erstreckende, parallel zueinander verlaufende Längsträger 14' und 14''.

Einer dieser Längsträger ist in Fig. 3 - im unteren Teil - nochmals in perspek­ tivischer Ansicht dargestellt.

Zur Visualisierung des Kraftflusses wird beim vorliegenden Ausführungsbei­ spiel das Strukturelement, nämlich jeder Längsträger 14', 14'', mit entlang seiner Längsachse in bestimmtem Abstand voneinander angeordneten Schnittebenen versehen (vgl. Fig. 3). Diese sind beim vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des entsprechen­ den Strukturelements angeordnet. Bei der Berechnung der Crash-Situation werden nun in jeder Schnittebene die in einer vorgegebenen Richtung des jeweiligen Strukturabschnitts wirkenden Kräfte oder Momente aufsummiert, wodurch sich eine Gesamtkraft ergibt. Im vorliegenden Fall sind die Kräfte in Längsrichtung der Strukturelemente 14' und 14'' aufsummiert.

Die Visualisierung des Kraftflusses erfolgt mittels eines schlauchartigen Vi­ sualisierungsobjektes 16', 16'' - vgl. Fig. 3, im oberen Teil. Dazu wird vorlie­ gend zunächst eine charakteristische Linie, hier die Mittellinie, des Visualisie­ rungsobjektes definiert, die dem geometrischen Verlauf einer Mittel- oder Schwerpunktlinie des entsprechenden Strukturelementes 14' entspricht. Um diese Mittellinie herum werden Ringe 22 angeordnet, deren Durchmesser der jeweiligen Gesamtkraft in einer zugeordneten Schnittebene eines Struk­ turelements entspricht.

Die schlauchförmige Struktur 16', 16'' des Visualisierungsobjektes ergibt sich dann durch die Verbindung der einzelnen Ringe 22 und ist in Fig. 3 parallel zu dem Strukturelement 14' angeordnet.

Auf diese Weise können die Kraftflüsse in jedem einzelnen Strukturelement visualisiert werden.

Zum besseren Verständnis, insbesondere bei der Darstellung von komplexe­ ren Kraftflüssen in verschiedenen miteinander zusammenhängenden Struk­ turelementen ist es besonders vorteilhaft, den Kraftfluß innerhalb der Struk­ turelemente darzustellen. Dies ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei fallen die charakte­ ristischen Linien, hier die Mittellinien, des Strukturelements und des schlauchförmigen Visualisierungsobjektes zusammen.

In Fig. 2 ist zu erkennen, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt während eines simulierten Crash-Versuches in den Strukturelementen 14' und 14'' die auf den vorderen Teil einwirkende Kraft zunächst kleiner ist, diese Kraft im Ver­ lauf der Strukturelemente nach hinten zunimmt und dann wieder entspre­ chend abnimmt. Bei der Aneinanderreihung solcher Momentaufnahmen kann der Kraftfluß in einem oder mehreren Strukturelementen kontinuierlich dargestellt werden. Auf kann das Zusammenspiel von verschiedenen Struk­ turelementen sichtbar gemacht werden.

In analoger Weise ist es möglich, Momentenverläufe darzustellen. Dabei kann es sich um die Verläufe von Biege- oder Torsionsmomenten handeln.

Die Visualisierung einer Momentenkomponente wird anhand von Fig. 4 er­ läutert, in welcher in schematischer Weise die vorderen Strukturelemente eines Kraftfahrzeugs abgebildet sind. Über diesen Strukturelementen ist der ermittelte Biegemomentenverlauf (Visualisierungsobjekt) in einem Längsträ­ ger 32 dargestellt.

Im wesentlichen wird die Visualisierung des Momentenverlaufes in gleicher Weise wie diejenige des Kraftflußverlaufes durchgeführt.

Beim Verfahren zur Visualisierung der Momentenverläufe werden für jede Schnittebene zwei Biegemomente in Bezug auf zwei verschiedene Moment­ achsen, beispielsweise eine lokale X-Achse und eine lokale Y-Achse der jeweiligen Schnittebene berechnet. Zur Definition der X-Achse und der Y- Achse werden jeweils eine Ebene, in der diese Achsen liegen, und die Schnittebenen senkrecht zur Längserstreckung der Struktur geschnitten. In analoger Weise zur Kraftflußvisualisierung werden nunmehr die Gesamt­ momente über diese Schnitte berechnet, wobei jedes Gesamtmoment ein Vorzeichen entsprechend seiner Biegewirkung um die Momentenachse auf­ weist.

Im Unterschied zu den Fig. 2 und 3 wird bei der vorliegenden Biegemo­ mentendarstellung ein Halbschlauch als Visualisierungsobjekt gewählt. Da­ bei ist die räumliche Lage und/oder Ausrichtung der den Halbschlauch be­ grenzende ebenen Fläche durch die ausgewählte Kraft- bzw. Momenten­ richtung definert. Durch die ebene Fläche bzw. deren Normale wird das Vor­ zeichen des Biegemoments in jedem Abschnitt anzeigt.

Eine solche Richtungsanzeige kann natürlich auch bei der Kräftedarstellung in analoger Weise verwendet werden. Alternativ zum Halbschlauch könnte auch ein Band veränderlicher Breite oder jedes andere Visualisierungsob­ jekt, welches das Maß einer Kraft oder eines Momentes und deren bzw. dessen Richtung angibt, gewählt werden.

In Fig. 4 ist dieser Halbschlauch 34 deutlich zu erkennen und über dem tat­ sächlichen Strukturelement 32 angeordnet.

Entsprechend Fig. 2 kann das Visualisierungsobjekt, jedoch auch in das ent­ sprechende Strukturelement projeziert werden. Zu diesem Zweck wird - wie auch in Fig. 2 zu erkennen - das entsprechende Strukturelement nur sche­ matisch oder durchsichtig dargestellt.

Auf diese Weise bekommt man die Information über den Momentenverlauf als auch über die Amplitude und das Vorzeichen der Biegemomente in einer zu analysierenden longitudinalen Struktur. Fig. 4 zeigt die Biegemomente um die globale y-Achse.

Sollen Torsionsmomente angezeigt werden so könnte ein Visualisierungs­ objekt gewählt werden, welches beispielsweise separat oder zusätzlich zu einem anderen Visualisierungsbestandteil eine Spirale aufweist, deren Dreh­ sinn die Torsionsrichtung zeigt. Diese Spirale könnte zusätzlich die Informa­ tion über das Maß des Torsionsmomentes beinhalten.

Insgesamt ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die Ausführungs­ form und das Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Visualisierung kann auch mit jedem anderen Visualisierungsobjekt, welches zumindest das Maß einer Kraft oder eines Momentes anzeigt erkennbar gemacht werden.

Ferner ist die Anwendung nicht auf Crash-Simulationen bei Kraftfahrzeugen beschränkt, sie kann auch bei anderen Verfahren (z. B. bei Steifigkeitsbe­ rechnungen) durchgeführt werden, wo eine Visualisierung von bestimmten Werten in einer komplexen Struktur notwendig ist. Der Fachmann kann ein entsprechendes Verfahren ohne weiteres aus der vorgenannten Beschrei­ bung entnehmen.

Bezugszeichenliste

10

Struktur

12

Teilstruktur

14

' Strukturelemente bzw. Längsträger

14

'' Strukturelemente bzw. Längsträger

16

' Kraftflußvisualisierung, schlauchförmig

16

'' Kraftflußvisualisierung, schlauchförmig

18

Schnittebenen

22

Ringe

24

Schlauchförmiges Visualisierungsobjekt

30

Vordere Struktur eines Kraftfahrzeugs

32

Strukturelement, Längsträger

34

Halbschlauchförmiges Visualisierungsobjekt bei der Momentendarstellung

Claims (11)

1. Verfahren zur Visualisierung eines Kraftfluß- oder Momentenverlaufes in einer Struktur, insbesondere als Nachbearbeitung nach der Be­ rechnung einer Crash-Situation bei einem Fahrzeug, wobei entlang wenigstens eines Elements der Struktur zumindest an diskreten Posi­ tionen jeweils darauf einwirkende Kraft- oder Momentenkomponenten berechnet werden, dadurch gekennzeichnet daß ein im wesentlichen entsprechend dem geometrischen Verlauf einer charakteristischen Linie des Strukturelements sich erstrecken­ des Visualisierungsobjekt erzeugt wird, dessen Dicke, Breite, Durch­ messer oder Farbe einem jeweiligen Kraft- oder Momentenwert der Kraft- oder Momentenkomponente in einem zugeordneten Abschnitt des Strukturelements entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das das Visualisierungsobjekt schlauchförmig ausgebildet ist, wobei dessen Durchmesser jeweils dem Kraft- oder Momentenwert in einem zugeordneten Abschnitt entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Visualisierungsobjekt derart ausgestaltet ist, um eine Aus­ richtung und/oder einen Verlauf der Kraft- oder Momentenkompo­ nentenorientierung anzuzeigen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das das Visualisierungsobjekt halbschlauchförmig ausgebildet ist, wo­ bei dessen Durchmesser jeweils dem Kraft- oder Momentenwert in ei­ nem zugeordneten Abschnitt entspricht und die den Halbschlauch be­ grenzende ebenen Fläche oder deren Normale die Richtung der an­ gezeigten Kraft- oder Momentenkomponente angibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Strukturelement durchsichtig, schematisch oder schemenhaft dargestellt ist und das Visualisierungsobjekt derart in die Struktur gelegt ist, daß die charakteristische Linie des Struktu­ relements und eine charakteristische Linie des Visualisierungsobjek­ tes zusammenfallen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den diskreten Positionen Schnittebenen durch das Struktur­ element gelegt werden und die Kraft- oder Momentenkomponente durch Summation von einzelnen Kraft- oder Momentenkomponenten über die Schnittebene hinweg berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem schlauchförmigen Visualisierungsobjekt jeder Schnitt­ ebene ein Ring oder ein Zylinder des Schlauches entspricht, wobei einander benachbarte Ringe oder Zylinder zur Bildung des Schlau­ ches miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem halbschlauchförmigen Visualisierungsobjekt jeder Schnittebene ein Halbring oder ein Halbzylinder des Halbschlauches entspricht, wobei einander benachbarte Halbringe oder Halbzylinder zur Bildung des Halbschlauches miteinander verbunden werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebenen im wesentlichen senkrecht zur Längserstrec­ kung des jeweiligen Abschnittes des Strukturelements angeordnet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftkomponente die in Längsrichtung des jeweiligen Struk­ turabschnittes oder in jeder beliebigen vordefinieren Richtung wirken­ de Kraft gewählt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Momentenkomponente ein Moment um eine Achse senkrecht zur Längsrichtung des jeweiligen Strukturabschnittes oder um eine beliebig vordefinierte Achse gewählt wird.