Járműfejlesztés szimulációkkal

A modern autógyártásban, ahol minden egyes tételt a költségvetésben nagyon meg kell indokolni, a fejlesztési költségek lefaragása kulcsfontosságú, hiszen ez a szakasz rengeteg pénzt emészt fel. Az utóbbi néhány évtized egyik legjobb és legtakarékosabb eszköze ezen a területen a fejlesztési szimuláció, melynek segítségével a mérnökök számos, korábban a valóságban tesztelt manővert, fizikai jelenséget vagy ütközést a virtuális térben elért eredmények alapján értékelnek ki, és vonnak le következtetést a valóságot illetően.

A fogalom meghatározása

Noha sokaknak van fogalma a szimuláció mibenlétéről, vannak olyan általánosan elterjedt tévedések, melyeket érdemes tisztázni.

A szimuláció lényegében egy vizsgálat. Egy rendszernek vagy folyamatnak a számítógépes modelljét, illetve annak viselkedését vizsgáljuk benne, melyből következtetéseket vonunk le annak kapcsán, hogy ugyanez a valóságban hogyan zajlana le.

Fontos különbséget tennünk a szimuláció és az emulálás között. A szimuláció és maga a modell nem feltétlenül felel meg minden elemében a valóságnak – nemsokára arra is kitérünk, hogy miért. A vizsgálat szempontjából fontos tulajdonságaiknak viszont a lehető leginkább közelítenie kell a valósághoz.

Emulálás során viszont a teljes környezetet próbáljuk meg lemásolni annak minden paraméterével; ezzel szokás összekeverni a szimulációt.

A szimulációs folyamat

A szimulációs feladatokat típusuktól függően igen sokrétűen meg lehet oldani, nem létezik egyetlen állandósult, követendő módszer, mellyel bármilyen probléma megoldása leírható.

Az viszont általánosan elmondható, hogy a végrehajtás mindig a megfigyeléssel kezdődik. A tapasztalati úton szerzett törvények, szabályok alapjául szolgálhatnak a modell építésének és a szimulációs környezetnek. Ilyen például a gravitáció bevitele egy guruló autó szimulációjába: tudjuk, hogy létezik, és a Föld felszínén elég nagy pontossággal tisztában vagyunk a mértékével is. Ennélfogva ezt egy megfigyelt értékként kezeljük, és törvényszerűségként építjük be a rendszerbe, hiszen tudjuk, hogy jelen lesz.

Szintén előzetes lépés a hipotézis felállítása. Egy EuroNCAP frontális törésteszt előzetes szimulációjában például azt feltételezhetjük, hogy a gyártó a követelményeknek megfelelő konstrukcióval állt elő, és a manikin bábuk nem szenvednek olyan sérüléseket, mely emberek esetén az élettel nem összeegyeztethető sérülésekkel járna – ez egy hipotézis, mely végül vagy megerősítésre, vagy megcáfolásra kerül.

A következő, egyik legfontosabb lépés a modellalkotás. Nagyon sok esetben ez a leghosszadalmasabb, legaprólékosabb folyamat valamennyi közül. A modell lényege, hogy az adott vizsgálat tárgyát testesíti meg (jelen esetben egy autót), de csak azon tulajdonságait birtokolja, melyeket a modellbe beépítettek. Járműmodellnek számít egy olyan egyszerűnek tűnő negyedmodell is, melyben csak az autó egyetlen rugója, lengéscsillapítója, és rugózatlan tömege szerepel a jármű negyed-felépítményével, geometriai értelemben a végtelekig leegyszerűsítve. Ez a leegyszerűsítés azért fontos, mert minél komplexebb a modell, annál nagyobb számítási kapacitás szükséges a szimulációk végrehajtásához. Egy teljes jármű dinamikai vizsgálatánál ez egészen hajmeresztő, sokszor teljesíthetetlen méreteket ölthet.

Lényeges azonban, hogy az egyszerűsítés is csak addig éri el a célját, amíg a modell viselkedése a vizsgált szempontból nem kezd el eltérően viselkedni a modell túlzottan minimalista építési filozófiája miatt.

Megjegyzendő, hogy a járműiparban nem feltétlenül kap minden jármű teljesen új modellt a szimulációk előkészítésénél: mint minden műszaki területen, itt is élnek azzal az egyszerűsítési lehetőséggel, hogy korábbi modellek egyező paramétereit átörökítik a következő generációra, és azt módosítják – amennyiben ez lehetséges.

A végén pedig a kiértékelés, vagy szabályalkotás marad: levonjuk a megfelelő következtetéseket, megállapítjuk, hogy a hipotézis helytállónak, vagy tévesnek bizonyult-e. Ideális esetben az eredmény az, hogy a szimuláció olyan információt szolgáltatott a járműről, amit ennek köszönhetően nem, vagy csak részben kell a valóságban ellenőrizni.

Szimuláció és valóság

Gyakorlati értelemben nem csak az autóiparban, hanem bármilyen egyéb területen a szimulációt azért alkalmazzák, hogy a valós teszteket legalább részben kiválthassák vele. Mert bár a szimulációs kapacitás kiépítése költséges, a tapasztalat azt mutatja, hogy a valós tesztek az esetek döntő többségében jelentősen nagyobb ráfordítást igényelnek, mint a virtuális segéderő.

Adódik a kérdés, hogy akkor miért nem szüntették meg teljesen a gyártók a valós teszteket. Természetesen erre az a válasz, hogy bár a szimuláció lehet hatékony, valamennyi hibát mindig hordozhat magában a rendszer.

Amikor a járműszimulációk kezdeti fázisban jártak, és a világ elkezdte megismerni az ebben rejlő lehetőségeket, még alig merték alkalmazni a cégek, mára azonban a legtöbb piaci szereplőnél a tesztek 70-80%-a szimulációkon keresztül ad eredményt, és csak a maradék a valódi teszt. A különböző szoftverfejlesztőknek és az autógyártóknak ma már annyi tapasztalat áll rendelkezésére, hogy rendkívül kifinomult és valóságközeli modelleket és szimulációs környezetet képesek előállítani, amely sok esetben csak elhanyagolható mértékben tér el a valóságtól.

Ilyen tekintetben a közúti autógyártás a Forma-1-gyel hasonlatos: a versenyszériában szabályokkal kényszerítették arra a csapatokat, hogy szélcsatorna és pályatesztek helyett javarészt szimulációk segítségével alkossák meg az autóikat; jelenleg a kereskedelmi forgalomban kapható járműveknél is hasonló módszerekkel dolgoznak.

Az viszont általánosságban elmondható, hogy a valós tesztek nem tűntek el teljesen, és minden bizonnyal, ha szerény arányban is, de még sokáig velünk maradnak.

Szimuláció típusok a járműiparban

Ma már számtalan megoldást kínál a számítástechnika a járműipar számára, ha szimulációval kívánunk megoldani egy feladatot – néhányat felsorolunk a teljesség igénye nélkül:

• Teljes jármű szimulációk (dinamikai vizsgálatok, szilárdságtani tesztek, energiamenedzsment, köridő-szimuláció stb.)
• Jármű funkció szimulációja
• Komfortelektronika szimulációja, hibrid- és elektromos rendszerek működési tesztje
• Vízen átfutás, hóban való viselkedés szimulációja
• Aerodinamikai vizsgálatok (alul-, felül-, keresztüláramlás
• Belső égésű motor termodinamikai folyamatainak vizsgálata
• Autonóm járművek működési szimulációja