Sensitivitätsanalyse und Kalibrierung führt zu validen Ski-Simulationsmodellen
Branche: Konsumgüter/GebrauchsgüterFachgebiet: StrukturmechanikFür Rennskifahrer gibt es kein besseres Gefühl als schnell zu sein. Hundertstel Sekunden entscheiden zwischen Sieg und Niederlage. Also wird nach immer besserem Equipment gesucht. HEAD Sport nutzt die Ansys Software, um das Fahrverhalten von Ski noch effizienter an die Anforderungen anzupassen.
Zusammenfassung
Aufgabe
Um in der Ski-Entwicklung für den jeweiligen Anwendungsfall ein optimales Design zu finden, sind zahlreiche Prototypen und Testläufe notwendig. Dabei ist der Schichtaufbau eines Skis essenziell für seine Flexibilität und sein Fahrverhalten. Der Einsatz von Simulationssoftware soll helfen, diesen langwierigen Weg abzukürzen.
Lösung
Da die Eigenschaften der Materialschichten oft nicht genau bekannt sind, war für ein valides Simulationsmodell eine Kalibrierung der Werte im Abgleich mit realen Versuchen notwendig. Aus einer Sensitivitätsanalyse ergaben sich acht einflussreiche Parameter, die so angepasst wurden, dass die Ergebnisse der Simulationen mit den der Versuche korrelieren.
Kundennutzen
Durch die systematische Identifikation der Materialwerte ist die Simulation in der Prototypenphase bei HEAD zu einer wichtigen Grundlage der Ski-Entwicklung geworden. So lassen sich in kurzer Zeit verschiedene Ski-Designs aufbauen, analysieren und vergleichen, um dadurch die Anzahl der notwendigen realen Prototypen und Testläufe weiter zu reduzieren.
In heutigen Zeiten zählen Ski zu den Hightech-Produkten. Sie werden in dünnen Schichten aus verschiedenen Materialien aufgebaut. Die Art des Aufbaus ist für das Fahrverhalten essenziell, da sie die Flexibilität des Skis bestimmt. Um in der Skientwicklung für den jeweiligen Anwendungsfall ein optimales Design zu finden, sind deshalb zahlreiche Prototypen und Testläufe notwendig. Der renommierte Sportartikelhersteller HEAD SPORT GmbH hat diesen langwierigen Weg abkürzen können, indem er die Simulationssoftware Ansys in der Skientwicklung zur Überprüfung und Bewertung von digitalen Prototypenbau einsetzt.
Der kombinierte Einsatz von Ansys Mechanical und Ansys optiSLang ermöglicht ein klassisches Reverse Engineering zur punktgenauen Bestimmung von Materialeigenschaften im Lagenaufbau eines Skis. HEAD widmet sich dem Thema der simulationsgesteuerten Entwicklung gemeinsam mit CADFEM und ANSYS Dynardo, um ein sicheres Fundament für die zukünftige Entwicklungsstrategie zu gewährleisten: Tests werden aufgrund digitaler Entwicklung eingespart.
Die systematische Identifikation der Materialwerte war die Basis für den weiteren Ausbau der simulationsgesteuerten Entwicklung bei HEAD. Dadurch wurde das Verständnis des Einflusses diverser Materialien verbessert. Mittlerweile bildet die Simulation die Basis für eine durchgängige Auslegung der Schichtmaterialien im Prototypenbau.Damit lassen sich in kurzer Zeit verschiedene Ski-Designs aufbauen, mit Ansys analysieren und bewerten. Ein Ziel ist es, anhand von Simulationen etablierte Ski mit neuen Entwicklungen zu vergleichen, um so das Fahrverhalten der Neuentwicklungen besser bestimmen zu können. Somit soll einerseits ein Teil der bisher notwendigen Testläufe entfallen und andererseits ein großer Vorteil im Wettbewerb gesichert werden. Die wichtigsten Vorteile durch den Einsatz der Simulation:
- das Materialverhalten und damit das Fahrverhalten sind besser einschätzbar
- Beschleunigung der Entwicklung durch simulationsbasierte Bewertung der digitalen Prototypen
- die Produktqualität (Fahrverhalten der Ski) kann besser vorbestimmt und gesteuert werden
Zunächst wurde das Steifigkeitsverhalten des Skis in einem validen Simulationsmodell abgebildet. Da die Materialeigenschaften der dünnen Schichten oft nicht genau bekannt sind, beziehungsweise nicht im angegebenen Streubereich liegen, war eine Kalibrierung der Werte im Abgleich mit realen Biege- und Torsionsversuchen notwendig.
Anschließend wurden die realen Versuche in Ansys Mechanical digital abgebildet. Auf Basis des CAD-Modells wurden die einzelnen Schichten mit einem durchgehenden FEM-Netz diskretisiert und ihnen jeweils die richtigen Materialkennwerte zugewiesen. Da einige Bauteile, wie etwa der Kern mit Holzfurnierlagen, aus einem Material mit Faserrichtungen bestehen, mussten hier auch die orthotropen Steifigkeitseigenschaften berücksichtigt werden. Insgesamt waren 23 Parameter für die Modellkalibrierung verantwortlich.
Zur Beurteilung der Sensitivität und Anpassung der Parameter kam die Software Ansys optiSlang zum Einsatz. Zuerst wurde mit einer Sensitivitätsanalyse der Einfluss der Parameter untersucht. Da nur acht Parameter einen größeren Einfluss auf die Steifigkeit des Skis haben, ließ sich der Berechnungsaufwand erheblich reduzieren. Diese acht Parameter wurden im zugrunde gelegten Streubereich des Materials so angepasst, dass die Simulationsergebnisse mit den Versuchsergebnissen bestmöglich korrelieren.
