„Optistruct“: Diät-Programm ohne Jojo-Effekt

„Leichtbau“ lautet das Zauberwort in Konstruktionsbüros. Nicht nur für Automobile, auch für Flugzeuge, Schienenfahrzeuge und sogar Hochleistungsfahrräder gilt: Nur ein gespartes Gramm ist ein gutes Gramm. Damit sich bereits bei der Konstruktion von Fahrzeugteilen das Gewicht optimieren lässt, ist das Verdienst der Software „Optistruct“ des amerikanischen Software-Spezialisten Altair.

Die Abhängigkeit von Gewicht und Energieeffizienz bei jedem Fahrzeug galt für Ingenieure bereits als Binsenweisheit, als sie noch an Zeichenbrettern standen und ihre Berechnungen mit Rechenschiebern vornahmen. Im modernen Fahrzeugbau von heute gilt mehr denn je: je geringer das Gewicht, desto wirtschaftlicher der Energieverbrauch im Betrieb, gleichgültig, ob es sich um ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor oder um eines mit Elektroantrieb handelt.

Auf der Suche nach den überflüssigen Pfunden ringen Konstrukteure bei jedem einzelnen Teil selbst um Bruchteile eines Gramms. Als probate diätische Maßnahmen dienen den Entwicklern heute komplexe Software-Programme. Der Vorteil im Gegensatz zu jeder menschlichen Gewichtsreduzierung: Das mit der Software optimierte Teil kennt nach erfolgreicher Diät keinen Jo-Jo-Effekt. Das Rechnerprogramm dient in erster Linie dazu, um gestalterische Konzepte vom einfachen Funktionsteil bis hin zum formalen Design auf seine strukturellen Eigenschaften bei Einwirkung von Kräften zu überprüfen. Mit den Parametern Form, Material und Belastung lässt sich am Rechner ermitteln, ob das Teil den späteren mechanischen Anforderungen im Fahrzeug genügt oder nicht. Ohne dass aufwendige Testreihen mit entsprechenden Echtteilen erforderlich sind. Somit lässt sich im Fahrzeugbau nicht zuletzt prüfen, ob sich die Vorgaben für Gewicht und Stabilität von Teilen auch unter den Vorgaben eines bestehenden Designs einhalten lassen.

Wie alle wichtigen Konstruktionsprogramme arbeitet auch „Optistruct“, gleich einem Programm für Crash-Simulationen, nach der sogenannten „Finiten Elemente Methode“. Dabei teilt das Rechnerprogramm jede Oberfläche eines Teils in einfache geometrische Flächen, Finite Elemente, wie Dreiecke auf. Ausgehend von Dicke und Art des Materials kann der Rechner nach dem Einleiten einer virtuellen Kraft auf das gesamte Teil berechnen, wie es reagiert, sich verformt und an welcher Stelle die Struktur schließlich versagt; und zwar aufgrund der Veränderung jeder einzelnen Seite jedes Finiten Elements in einem bestimmten Zeitraum. Je kleiner die Finiten Elemente und je kürzer die Zeitintervalle zwischen den Berechnungsschritten sind, desto präziser lässt sich das spätere Verhalten eines Teils im praktischen Betrieb am Rechner simulieren; und somit Schritt für Schritt unter anderem in punkto Gewicht optimieren. Je komplexer das gesamte Teil und je mehr Finite Elemente, desto höher sind die Anforderungen an die Rechnerleistung.

Die praktische Anwendung der amerikanischen Software deckt aktuell die Gewichtsoptimierung der Fahrzeugteile des Sportwagens Alfa Romeo 4C ebenso ab wie die des Fahrwerks beim jüngsten Airbus A350.