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In Windeseile: Fünf Monate Entwicklungszeit für einen Sieger

Wie Prodrive bei der Entwicklung des Ferrari-Flügels mit Hilfe von Reverse Engineering in kürzester Zeit Ergebnisse lieferteVon Bob Cramblitt

Als der Ferrari 550 Maranello im Juni beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans vor allen anderen Wagen der GTS-Klasse über die Ziellinie ging, hatte nicht nur der Wagen ein beispielloses Tempo vorgelegt, sondern auch das Team von Prodrive. Es gewann Le Mans bereits im zweiten Anlauf, und das, nachdem man erst fünf Monate zuvor die Zusammenarbeit mit Veloqx aufgenommen hatte. Bei der Vorbereitungen setzte das Veloqx-Prodrive Team auf neue Technologien, die es ermöglichten, innerhalb von nur sechs Wochen ein alternatives Design des Heckflügels zu entwickeln.

Das neue Design wurde von Prodrives technischem Partner Advantage CFD in Zusammenarbeit mit 3D Scanners und Raindrop Geomagic entwickelt – und bewies die Praxistauglichkeit des Einsatzes von Reverse Engineering und CFD (Computational Fluid Dynamics, zu deutsch: numerische Strömungssimulation) innerhalb des Motorsports mit seinem starkem Konkurrenzdruck.

Schlechte Chancen und wenig Zeit

Als im vergangenen Februar die Zusammenarbeit von Veloqx und Prodrive bekannt gegeben wurde, war klar, dass man in Le Mans mit diesem Doppelteam würde rechnen müssen, aber die Aussichten auf einen Sieg waren nicht eben rosig. Das Team war relativ unerfahren, und die Regeländerungen des Jahres 2003 für Le Mans hatten zur Folge, dass Veloqx Prodrive mit geringerer Motorenleistung zurecht kommen musste. Die Änderungen und die stärkere Konkurrenz beim diesjährigen Rennen zwangen das Team, Verbesserungen im Bereich der Aaerodynamik zu erreichen, insbesondere bei der Reduzierung des Luftwiderstands.

Das Team wandte sich an Advantage CFD, ein Beratungsunternehmen für Kunden aus dem Motorsport und der Automobilindustrie. Advantage CFD musste schnell reagieren - das Projekt wurde Anfang März initiiert, und im Juni sollte das Rennen stattfinden. Die Zeit würde gerade mal reichen für das Testen eines einzigen Designs vor dem Pre-Qualifying im Mai.

Von der Realität zur digitalen Darstellung

Zwar war es das Ziel des Projekts, den Heckflügel unter die Lupe zu nehmen und zu modifizieren, doch wird die Luftströmung entscheidend beeinflusst vom oberen Teil des Fahrzeugs. Advantage CFD benötigte daher Daten für die gesamten Karosserie. „Die erste Hürde war, dass es kein CAD-Modell von der Außenhaut des Wagens gab,“ erläutert Rob Lewis, Managing Director von Advantage CFD. „Wir hatten eine Woche Zeit für das Reverse Engineering der gesamten Fahrzeugkarosserie.“ Darüber hinaus musste die Aufgabe von Unternehmen aus unterschiedlichen Erdteilen gelöst werden.

3D Scanners scannte mit seinem
ModelMaker X Scanner eine Hälfte des
Ferrari 550 Maranello.
Prodrive mit Sitz in Banbury, Großbritannien, setzte die benötigten Karosserieteile zusammen. Das in Coventry ansässige Unternehmen 3D Scanners scannte mit seinem ModelMaker X Handheld Non-Contact Scanner mit Gelenkarm eine Seite des Wagens. Dabei wurde alles gescannt bis auf den vorderen Rammschutz, das einzige Element, von dem Prodrive ein CAD-Modell besaß.

Der ModelMaker X funktioniert ohne spezielle Beleuchtung oder Markierungen und scannt 23.000 Punkte pro Sekunde. Im Gegensatz zu anderen Techniken gab es mit dem ModelMaker X bei der Erfassung der Seitenspiegel, Radläufe und des hinteren Rammschutzes keine Probleme mit den Hinterschneidungen. Die Scans wurden aus drei Positionen aufgenommen und automatisch an die von Prodrive gelieferten Koordinaten angeglichen. Das vollständige Modell bestand aus 40 Millionen Punkten.

3D Scanners schickte acht gefilterte Punktwolken-Dateien, die die eine Hälfte der Karrosserie des Ferrari 550 darstellten, an Raindrop Geomagic in den USA. Die Geomagic Studio-Software dieses Unternehmens verarbeitet die gescannten Daten einer realen Vorlage automatisch zu exakten polygonalen Oberflächenmodellen (Gittermodellen).

Raindrop Geomagic importierte die acht gescannten Dateien in die Geomagic Studio-Software, „umwickelte“ die Punktwolken und kreierte ein Polygonnetz. Eine Spiegelfunktion innerhalb der Anwendung schuf die fehlende Hälfte der Karosserie, die nicht gescannt worden war, und die einzelnen Teile der Karosserie wurden „zusammengeflickt“. Dann generierte die Software automatisch Oberflächen aus dem Polygonnetz; diese schickte man zu Advantage CFD.

Tests fernab der Strecke

Advantage CFD schuf zunächst aus den mathematisch ermittelten Oberflächen und den von Prodrive gelieferten Daten des vorderen Rammschutzes ein vollständiges CAD-Modell der äußeren Geometrie des Wagens. Dann definierten die Ingenieure ein umgebendes Fluid-Volumen und schufen ein Würfelgitter aus den meisten Karosserieoberflächen. Um die entscheidende Luftströmung am Heckflügel, die Strömung unter dem flachen Boden sowie die Wirbelschleppe hinter dem Wagen zu eliminieren, wurde ebenfalls ein strukturiertes Würfelgitter verwendet. Das verbleibende Volumen wurde in Tetraederzellen zerlegt. Das Gitter entstand mit Hilfe einer Reihe von Tools, unter anderem Gridgen von Pointwise, Geomesh der ESI Gruppe, ANSA von Beta CAE Systems und TGrid von Fluent, Inc.

Die stereolithographischen Oberflächen
wurden mit Punkten überlagert, um
nach dem Scannen der Ferrari-
Karosserieteile die Dichte der Cluster
zu zeigen.
Unter Verwendung des Solvers von Fluent CFD wurde das 3-D CFD-Modell zunächst ohne Flügel getestet, um den Verlauf der Luftströmung um das Wagenheck herum und im Bereich des Heckflügels zu ermitteln. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse erstellte Advantage CFD auch 2-D-Analysen über eine Reihe von Flügelwinkeln. Dabei arbeitete man mit MSES von Analytical Methods, Inc. Die Analyse zeigte, dass der Druckmittelpunkt für den neuen Flügelabschnitt weiter nach hinten verlagert werden sollte. Die Visualisierung des CFD-Ergebnisses erfolgte mittels EnSight von CEI.

Advantage CFD evaluierte danach mehrere neue Flügel an dem neuen 3-D-Modell, wobei das Verhalten unter Renngeschwindigkeit simuliert wurde. Die Nachbearbeitung einiger erster Designschritte zeigte Regionen auf, an denen Strömungsabrisse auftraten, die von den ursprünglichen Flügelbefestigungen herrührten. Zur Lösung dieses Problems konstruierte Advantage CFD neue Flügelbefestigungen und fuhr anschließend weitere CFD-Tests.

Mit Hilfe von Geomagic Studio Software
wurden aus den vom Scanner
erfassten Punktwolken-Daten
automatisch Oberflächen generiert.
Ein Vergleich der Ölströmungen an den Heckflügeln zeigte ganz deutlich den Strömungsabriss an den Befestigungen des Originalflügels. Dies bildete die Basis für entscheidende Verbesserungen in diesem Bereich auf Grund des modifizierten Flügels. Das neue Design wies einen geringfügigen Strömungsabriss an der Flügelhinterkante auf, doch dieser wurde behoben, indem man eine 6-mm starke Schiene am Flügel befestigte.

Advantage CFD kreierte ein endgültiges Design, testete es auf Herz und Nieren und übermittelte das CAD-Modell an Protoform Patterns, wo man CNC-Maschinen einsetzte, um die Gussformen herzustellen, die für die Produktion der neuen Flügel erforderlich waren.

Streckentests bestätigen die Ergebnisse Prodrive stellte mit Hilfe dieser Gussformen nur sechs Wochen nach dem Projektstart gerade noch rechtzeitig einen neuen hinteren Flügel her. Die Tests und weiteren Durchläufe beim Pre-Qualifying für Le Mans bestätigten, dass der neue Flügel den Luftwiderstand bei gleichbleibendem Anpressdruck um 2,5% reduzierte. Die Rundenzeiten am Testtag in Le Mans zeigten, was sich später auch im Rennen selbst bestätigen würde - die Veloqx Prodrive Ferraris waren die schnellsten Wagen in der GTS-Klasse, sowohl mit den neuen als auch mit den alten Flügeln.

Auf Grund der knapp bemessenen Zeit konnte Veloqx Prodrive Racing den neuen Flügel nicht auf Dauerhaltbarkeit testen, einen Schlüsselfaktor beim 24-Stunden-Rennen. Da man nicht ohne Haltbarkeitstest ins Rennen gehen wollte und sich darüber im Klaren war, dass die Wagen so oder so die schnellsten waren, entschied man sich bei Veloqx Prodrive, beim ursprünglichen Flügeldesign zu bleiben. Eine weise Entscheidung, wie der Sieg des jungen Rennteams zeigen sollte.

Ermutigt durch den Erfolg des Le Mans-Projektes und ständig auf der Suche nach einem Vorsprung gegenüber der Konkurrenz, gab Veloqx Prodrive bei Advantage CFD die Entwicklung eines weiteren Heckflügels für den Ferrari 550 Maranello in Auftrag. Dieses Mal ging es darum, einen höheren Anpressdruck für die amerikanische Le Mans-Serie zu erreichen. Bei diesem neuen Flügel schlug man einen ähnlichen Weg ein, und wiederum ging man vom CFD direkt auf den Ring für die Tests.

Die Ergebnisse der Fluent CFD Analyse,
dargestellt mit EnSight Software,
zeigen die Luftströmungen um die
Karosserie und über dem Heckflügel.
„Durch die Zusammenarbeit mit Advantage CFD konnten wir den neuen Flügel mit dem hohen Anpressdruck viel schneller entwickeln und testen, als wenn wir die übliche schrittweise Vorgehensweise verfolgt hätten,“ berichtet George Howard-Chappell, Teamchef bei Prodrive Racing. „Der Flügel übertraf beim Test am Wagen sogar die CFD-Prognosen, und wir werden ihn den Rest der Saison verwenden.”

Das Team musste nicht lange warten, bis sich sein Bekenntnis zur computergestützten Technologie auszahlte. Ende August und Anfang September siegten Jan Magnussen und David Brabham von Veloqx Prodrive in der GTS-Klasse in zwei aufeinanderfolgenden Rennen der amerikanischen Le Mans Serie: beim Road America 500 in Wisconsin und bei den Monterey Sports Car Championships in Kalifornien.

„Wir haben bewiesen, dass wir mit Hilfe dieser Technologie manche Dinge sehr schnell umsetzen und auf Anhieb exakte Ergebnisse erhalten können, die den realen Bedingungen entsprechen,“ fasst Lewis zusammen. „Wir gehen davon aus, dass CFD auch künftig ein wertvolles Instrument sein wird, um Prodrive Racing einen Vorsprung vor der Konkurrenz zu verschaffen.“

Von Bob Cramblitt




Stichworte:
Karosserie >> Aerodynamik