Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Kaiserslautern

Institutsleiter: Prof. Dr. Anita Schöbel

Ansprechpartner Allianz Verkehr: Dr. Michael Burger

Übersicht über die Komponenten der Virtuellen Messkampagne des Fraunhofer ITWM
© Fraunhofer ITWM
Komponenten der Virtuellen Messkampange VMC

Die Abteilung »Mathematische Methoden in Dynamik und Festigkeit« des Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation von Nutzungsvariabilität, Beanspruchung und Energieeffizienz von Fahrzeugen und Maschinen.

Wir entwickeln effiziente computergestützte Prädiktions- und Analyseverfahren für Betriebsfestigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Mit den Entwicklungsprojekten »Virtual Measurement Campaign (VMC)«, »Usage Simulation (U·Sim)« und »Statistische Auswertung von Betriebsfestigkeitsversuchen (Jurojin)« kombinieren wir statistische und simulationsbasierte Methoden mit georeferenzierten Datenbanken. Wir stellen Analysewerkzeuge bereit, deren grundlegendes Ziel es ist, die regional stark abweichende Nutzungsvariabilität und die hieraus resultierenden Streuungen in den Beanspruchungen und Leistungsanforderungen computergestützt zu beschreiben und im Auslegungsprozess frühzeitig zu berücksichtigen.

Im Einzelnen unterstützen unsere Produkte den Entwicklungs- und Auslegungsprozess bei der Erfassung, Beschreibung und Modellierung der Nutzungsvariabilität, bei der Ableitung von Referenzlasten und verbrauchsrelevanten Größen, bei der Planung, Auswertung und Analyse von Messkampagnen und Referenzstrecken sowie bei der vergleichenden statistischen Analyse von ausgewählten Regionen der Welt hinsichtlich verschiedenster Kriterien. Der zugrunde liegende methodische Ansatz erlaubt es, die Nutzungsvariabilität und die damit verbundene große Variation von Lasten und Verbrauch zu verstehen, quantitativ zu beschreiben und für die zielgerichtete Entwicklung aufzubereiten. Aufgrund der schnell wachsenden Verfügbarkeit relevanter Daten (z.B. Verkehrsdichte) und zur Unterstützung weiterer Anwendungen werden sowohl die Datenbank als auch die Methodensammlung kontinuierlich weiterentwickelt.

Ein wesentlicher Bestandteil ist das Untermodul »VMC Simulation«: Hier werden Fahrzeugmodelle in ein auf der VMC-Datenbank basierendes Umgebungsmodell eingebettet, um simulationsgestützt und prädiktiv, fahrer- und fahrzeugspezifische Aussagen über Beanspruchung und Energieeffizienz bzw. Verbrauch von Fahrzeugen zu treffen. Die verwendeten Modelle adressieren Längs-, Quer- und Vertikaldynamik. Zur Vorhersage von Vertikallasten in Fahrzeugen spielt die Straßenqualität eine wichtige Rolle. Zu ihrer Beschreibung werden international verschiedene Indikatoren verwendet, die aus Lasermessungen berechnet und häufig von Behörden für die Planung der Straßenwartung eingesetzt werden. Die Software stellt einerseits Methoden bereit, aus gegebenen Rauigkeitsindikatoren Straßenprofile zu rekonstruieren; andererseits besteht auch die Möglichkeit Rauigkeitskennwerte basierend auf einfachen Fahrzeugmessungen (Vertikalbeschleunigungen) zu schätzen und somit die Straßenqualität zu bewerten. Zusammen mit einem auf Verfahren der optimalen Steuerung basierenden Algorithmus zur Berechnung von Geschwindigkeitsprofilen auf gegebenen Routen in der Welt können so Informationen über zu erwartende Längs-, Quer- und Vertikaldynamik simuliert werden. Die gewonnenen Informationen sind sowohl für die Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit als auch für Fahrwiderstände, Energieeffizienz und Verbrauch wesentlich. Diese »virtuelle Messung« ergänzt die fahrzeugunabhängige Regional- und Routenanalyse und liefert vertiefte Einblicke in die Wirkung lokal unterschiedlicher Gegebenheiten auf eine bestimmte Fahrzeugklasse.

Anwendungsbereiche

  • Antriebsstrang-Entwicklung:
    • Berechnung von Fahrzeug- und Antriebslasten auf Routen in verschiedenen Regionen der Welt.
    • Vorhersage kundenspezifischer Nutzungsprofile in Bezug auf charakteristische Triebstranggrößen (z.B. Motordrehzahl und Schaltkollektive).
    • Ableitung von Referenzstrecken zur Analyse der Real Driving Emissions (RDE) und Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen (ADAS).
  • Kraftstoffverbrauch und Energieeffizienz: Schätzung von Fahrwiderständen und Kraftstoffverbrauch, Prognose von Einsparpotentialen und Bewertung konstruktiver Modifikationen.
  • Betriebsfestigkeit: Bewertung von Längs-, Quer- und Vertikallasten für die Entwicklung des Fahrzeugchassis, der Radaufhängung und weiterer Komponenten.