CITEC-Forscher entwickeln Design-Optimierungs-Software

Algorithmus kontrolliert Fahrzeugform im virtuellen Windkanal

Im Windkanal testen Autohersteller, ob ihre neuen Modelle so windschnittig gebaut sind, dass sie wenig Kraftstoff verbrauchen. In frühen Phasen der Konzeption setzen die Ingenieure heute zusätzlich auf einen simulierten Windkanal. Eine Computersoftware berechnet, wie die Bauteile eines Fahrzeugs verändert werden müssen, um aerodynamisch zu sein. Dieses Ziel verfolgt solche Software oftmals unbeirrt. Dann kann es passieren, dass das Auto so unförmig wird, dass kein normaler Motor mehr hineinpasst. Forscher des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld haben einen Algorithmus entwickelt, mit dem sich das verhindern lässt. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forschenden jetzt im renommierten Magazin „Computer Aided Design“.

Die Software von Professor Dr. Mario Botsch und seinem Team sorgt dafür, dass wichtige geometrische Kriterien für ein Fahrzeugmodell erfüllt werden. Foto: Universität Bielefeld/CITEC Die Wissenschaftler befassten sich in einem Projekt mit Software, die Fahrzeuge virtuell so umformt, dass sie möglichst aerodynamisch sind. „Wir haben diese Software verbessert, so dass sie einfacher zu bedienen ist und effizienter arbeitet“, sagt Professor Dr. Mario Botsch von der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld. Er leitet die Forschungsgruppe „Computergrafik und Geometrieverarbeitung“, die zum Exzellenzcluster CITEC gehört.

„Bestehende Software, die Fahrzeugvarianten simuliert und optimiert, achtet oftmals ausschließlich auf die Aerodynamik“, sagt Botsch. Das Programm erhält einen Designentwurf für ein Fahrzeug und deformiert diesen Entwurf so lange, bis der Luftwiderstand möglichst gering ausfällt. „Am Ende kann ein Entwurf herauskommen, der zwar windschnittig ist, praktisch aber nicht genutzt werden kann. Unser Programm sorgt dafür, dass bestimmte Kriterien erfüllt werden.“ Dazu gehört etwa, dass die Fahrerkabine so hoch und breit ist, dass Personen komfortabel darin sitzen können, oder dass der Motor unter die Motorhaube und die Räder in die Radkästen passen. „Oft werden die Fahrzeugentwürfe, die ungeeignet sind, erst nach dem rechenaufwändigen Test im virtuellen Windkanal aussortiert. Unsere Software stellt sicher, dass ungeeignete Entwürfe gar nicht erst in den Windkanal hineinkommen“, sagt Botsch.

Der Informatiker Daniel Sieger hat den Algorithmus als Mitarbeiter in Botschs Forschungsgruppe entwickelt. „Uns ging es nicht nur darum, dass die Fahrzeuge realistische Formen bekommen und damit besser herzustellen sind“, sagt Sieger. „Das neue Programm ist auch deutlich einfacher zu bedienen als bestehende Software. Die wichtigen geometrischen Randbedingungen können bei uns direkt vorgegeben werden, zum Beispiel dass die Radkästen rund bleiben. Vorher konnten Strömungsingenieure dies nur umständlich über die Wahl der Optimierungsparameter erreichen - wenn sie es überhaupt konnten.”

Der Algorithmus wurde zwar entwickelt, um die Aerodynamik von Fahrzeugen zu steigern, die anschließend im virtuellen Windkanal getestet werden. Er lässt sich aber auch für andere Simulationen verwenden. „Er könnte beispielsweise genutzt werden, um ein Autodesign zu produzieren, das für Crashtest-Simulationen optimiert ist. Damit würde gewährleistet, dass die Fahrzeuginsassen bei einem Aufprall so gut wie möglich geschützt sind“, sagt Daniel Sieger.

Selbst bei einer extremen Streckung des ursprünglichen Autoentwurfs (links) bleibt die Form der Radkästen erhalten (rechts). Foto: CITECIn einem Forschungsartikel erklären Mario Botsch und Daniel Sieger die Methoden sowie die Grundzüge des Programms. Ende Oktober 2014 ist der Artikel als „Best Paper“ der Fachtagung „International Meshing Roundtable“ in London, Großbritannien, ausgezeichnet worden. Auf der jährlichen Konferenz geht es um rechnergestützte Vernetzung und Optimierung geometrischer Formen. Im Journal „Computer Aided Design“ erscheint eine erweiterte Version des Artikels.

Die Forschungsgruppe „Computergrafik und Geometrieverarbeitung“ befasst sich unter anderem mit der Erzeugung und Optimierung von geometrischen Informationen. Dazu zählen außer interaktiver Deformation unter anderem das Scannen von dreidimensionalen Objekten, zum Beispiel Gesichter, und die Darstellung von virtuellen Szenen in Echtzeit.

Originalveröffentlichung:
Daniel Sieger, Sergius Gaulik, Jascha Achenbach, Stefan Menzel, Mario Botsch: Constrained Space Deformation Techniques for Design Optimization, Computer Aided Design, 2015.

Kontakt:
Professor Dr. Mario Botsch, Universität Bielefeld
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC)
Telefon: 0521 106-12146
E-Mail: botsch@techfak.uni-bielefeld.de