Bei der Entwicklung eines Formula Student-Rennwagens CATIA Oberflächenanalyse ein unerlässlicher Schritt vor jeder CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics). Obwohl die CFD-Simulation oft im Vordergrund steht, hat die Qualität des CAD-Modells direkten Einfluss auf die Netzgenerierung, die Stabilität der Simulation und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse.

Ein Modell mag auf dem Bildschirm perfekt glatt erscheinen, doch selbst kleinste Lücken, unsaubere Oberflächenübergänge oder subtile Kontinuitätsprobleme können die Vernetzung erschweren und die Genauigkeit einer CFD-Studie beeinträchtigen. Daher ist die Validierung der Geometrie vor der Simulation genauso wichtig wie die Konfiguration des Solvers selbst.

In meiner zweiten Saison beim Konrul Racing Teamhatte ich die Gelegenheit, einen unserer Prototypen für die Karosserie in der fortgeschrittenen Entwicklungsphase mithilfe der 3DEXPERIENCE Plattform zu testen. Mein Ziel war nicht einfach nur die Durchführung einer CFD-Simulation – ich wollte zunächst die Qualität der Geometrie selbst verstehen.

In diesem Artikel beschreibe ich meinen Arbeitsablauf, beginnend mit CATIA Oberflächenanalyse und der Geometrieaufbereitung bis hin zur Bewertung der Karosserie in SIMULIA CFD. Dabei zeige ich Ihnen, was gut funktioniert hat, welche Herausforderungen auftraten und welche Erkenntnisse ich gewonnen habe.

Die folgenden Bilder zeigen den Prototyp der Formula Student-Karosserie, der als Grundlage für diese Studie diente, bevor mit der Oberflächenanalyse begonnen wurde.

Abbildung 1. Isometrische Ansicht des Prototyps der Formula Student Karosserie.

Abbildung 2. Seitenansicht, die das Nasenprofil und die Oberflächenübergänge hervorhebt.

Warum die Oberflächenanalyse vor der CFD-Simulation wichtig ist

Bevor ich mich mit CFD beschäftige, wollte ich eine einfache Frage beantworten: Waren die Karosserieoberflächen wirklich so glatt, wie sie aussahen?

Beim Durcharbeiten der Lerninhalte von Dassault Systèmes wurde mir klar, dass CATIA weit mehr bietet als nur leistungsstarke Werkzeuge zur Oberflächenmodellierung. Es umfasst auch verschiedene Analysewerkzeuge, mit denen sich Reflexionsmuster, Oberflächenkontinuität und Krümmung detailliert untersuchen lassen.

Obwohl diese Analysen allein keine Vorhersage der aerodynamischen Leistung ermöglichen, helfen sie dabei, geometrische Probleme zu identifizieren, die später bei der Geometrievorbereitung, der Netzgenerierung oder der CFD-Simulation selbst zu Schwierigkeiten führen könnten.

Aus diesem Grund entschied ich mich, die Karosserie mithilfe der Oberflächenanalysewerkzeuge von CATIAzu validieren, bevor ich das Modell in SIMULIAimportierte. Ziel war es, potenzielle Schwachstellen frühzeitig zu erkennen und ein saubereres, zuverlässigeres Modell für die Simulation zu erstellen.

Zebra-Analyse (Isophoten):

Überprüfung der Oberflächenströmung vor CFD

Das erste Werkzeug, das ich zur Beurteilung der Karosserie verwendete, war die Zebra-Analyse, auch bekannt als Isophotenanalyse. Bevor ich das Modell für die CFD-Simulation vorbereitete, wollte ich überprüfen, ob die Oberflächen tatsächlich glatt waren – nicht nur optisch, sondern auch geometrisch.

Die Zebra-Analyse betrachtet das Modell als reflektierende Oberfläche und zeigt abwechselnd schwarze und weiße Streifen über die Geometrie an. Fließen diese Streifen gleichmäßig von einer Fläche zur anderen, deutet dies in der Regel auf eine gute Kontinuität hin. Plötzliche Unterbrechungen, Einschnürungen oder abrupte Richtungsänderungen können hingegen Bereiche aufzeigen, die einer genaueren Betrachtung bedürfen.

Anstatt mich auf die übliche Schattierungsansicht zu verlassen, nutzte ich die Zebra-Analyse, um das Verhalten der Reflexionen auf der Karosserie zu untersuchen. Mein Fokus lag auf der Identifizierung von Übergängen, an denen sich das Streifenmuster unerwartet änderte, da diese Bereiche potenziell Probleme bei der Geometrieerstellung oder Netzgenerierung verursachen könnten.

Eine Funktion, die ich besonders schätze, ist die Flexibilität von CATIA . Die Software ermöglicht die Anpassung von Streifendichte, -stärke, -schärfe, -ausrichtung und Projektionsmodus, wodurch die Untersuchung komplexer Oberflächen aus verschiedenen Blickwinkeln erleichtert wird. Die Betrachtung derselben Geometrie aus mehreren Richtungen deckt oft Unregelmäßigkeiten auf, die auf einem herkömmlichen Bildschirm schwer zu erkennen sind.

Obwohl die Zebra-Analyse keine aerodynamischen Daten liefert, spielt sie eine wichtige Rolle bei der Modellvorbereitung für CFD-Simulationen. Sauberere und gleichmäßigere Oberflächen führen im Allgemeinen zu einer robusteren Geometrie, einer glatteren Vernetzung und weniger Problemen während der Simulation.

Abbildung 3. Vorderansicht der Zebra-Analyse mit Hervorhebung der Übergänge an Nase und unterer Karosserie.

Abbildung 4. Seitenansicht, die die durchgehende Streifenführung auf der oberen, seitlichen und unteren Karosserieoberfläche zeigt.

Was ich beobachtet habe

Insgesamt wiesen die größeren Seitenwände ein einheitliches Streifenmuster auf, was auf eine gute Oberflächenkontinuität schließen lässt. Die Frontpartie sowie mehrere Übergangsbereiche zwischen oberer, seitlicher und unterer Karosserie zeigten hingegen deutlichere Veränderungen in den Reflexionslinien.

Nicht jede Unterbrechung deutete auf ein Modellierungsproblem hin. Manche Änderungen waren zu erwarten, da sie beabsichtigte Gestaltungselemente oder funktionale Designentscheidungen widerspiegelten. Anstatt jede Unregelmäßigkeit als Fehler zu behandeln, nutzte ich die Zebra-Analyse als Screening-Tool, um Bereiche zu identifizieren, die mithilfe der Stetigkeits- und Krümmungsanalyse-Tools von CATIAeiner genaueren Untersuchung bedurften.

Verbindungsprüfer: Überprüfung der Oberflächenkontinuität

Nach Abschluss der Sichtprüfung wollte ich die Geometrie anhand messbarer Daten validieren. An dieser Stelle Connect Checker als nächster Schritt im Arbeitsablauf zum Einsatz.

Im Gegensatz zur Zebra-Analyse, die eine visuelle Darstellung der Oberflächenqualität liefert, bewertet Connect Checker die tatsächliche Kontinuität zwischen benachbarten Oberflächen. Es kann Positionskontinuität (G0), Tangentialität (G1) und Krümmungskontinuität (G2 und G3) messen und ist somit ein wertvolles Werkzeug zur Identifizierung geometrischer Inkonsistenzen vor CFD-Simulationen.

Für diese erste Auswertung konzentrierte ich mich hauptsächlich auf die G0-Stetigkeit. Mein Ziel war es, unbeabsichtigte Lücken aufzudecken, die bei der Generierung eines geschlossenen Fluidbereichs oder der Erstellung eines hochwertigen Netzes Probleme verursachen könnten.

Bei den 80 in dieser Studie untersuchten CATIA eine maximale Oberflächenverbindungen meldete G0-Abweichung von lediglich 0,001 mm , während die meisten Begrenzungen bei der angezeigten Genauigkeit keine messbare Lücke aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass die importierte Geometrie im Allgemeinen gut verbunden war.

Ich habe den Gesamtwerten G1, G2 und G3 in dieser Phase keine große Bedeutung beigemessen, da das Modell mehrere bewusst eingesetzte scharfe Kanten und stilistische Übergänge enthielt, bei denen keine Tangenten- oder Krümmungskontinuität erwartet wurde. Eine aussagekräftigere Bewertung würde darin bestehen, nur die als glatt definierten Begrenzungen zu isolieren und deren Kontinuität separat zu prüfen. Der Connect Checker bestätigte, dass die Geometrie für den nächsten Arbeitsschritt geeignet ist, und identifizierte gleichzeitig Bereiche, die bei der Krümmungsanalyse genauer untersucht werden sollten.

Abbildung 5. Connect Checker prüft die G0-Kontinuität über 80 Karosserieverbindungen.

Krümmungsanalyse des Stachelschweins: Verstehen, wie sich die Krümmung verändert

Nach der Überprüfung der Oberflächenverbindungen wollte ich genauer untersuchen, wie sich die Krümmung der Karosserie im Laufe des Modells verändert. Dazu verwendete ich die Porcupine Curvature Analysis , ein Werkzeug, das die Krümmung mithilfe einer Reihe von Spitzen, oft auch als Krümmungskamm bezeichnet, visuell darstellt .

Die Länge und Richtung dieser Spitzen erleichtern das Erkennen plötzlicher Krümmungsänderungen, unregelmäßiger Übergänge und potenzieller Wendepunkte, die in einer schattierten Ansicht möglicherweise nicht sichtbar sind. Daher ist die Stachelschweinanalyse besonders nützlich bei der Beurteilung der Qualität komplexer Freiformflächen.

Für meine erste Beurteilung wählte ich die gesamte importierte Karosserie aus, um mir einen Gesamtüberblick über das Modell zu verschaffen. Wie erwartet, war das Ergebnis recht dicht. Da die Krümmungskammstruktur entlang zahlreicher Oberflächengrenzen gleichzeitig dargestellt wurde, wirkten die Bereiche um die Nase und die untere Karosserie überladen, was eine detaillierte Interpretation erschwerte.

Dennoch war dieser erste Überblick wertvoll. Er hob schnell die Bereiche hervor, die in der nächsten Phase des Arbeitsablaufs eine detailliertere Untersuchung verdienten.

Abbildung 6. Analyse der anfänglichen Stachelschweinkrümmung der Karosseriegeometrie.

Was ich gelernt habe

Die Betrachtung des Gesamtmodells auf einmal war zwar hilfreich, um potenzielle Problembereiche zu identifizieren, aber nicht optimal für eine detaillierte Analyse. Die große Anzahl an Krümmungskämmen überlappte sich häufig, wodurch es schwierig war, tatsächliche Krümmungsänderungen von visuellen Störungen zu unterscheiden.

Würde ich diese Studie wiederholen, würde ich kleinere Abschnitte einzeln analysieren und mich dabei auf ausgewählte Grenzen oder Schnittebenenkurven konzentrieren. Eine Reduzierung der Kammdichte würde zudem subtile Krümmungsvariationen deutlich leichter interpretierbar und vergleichbar machen.

Die Porcupine-Analyse liefert zwar keine aerodynamischen Ergebnisse, bietet aber wertvolle Einblicke in das geometrische Verhalten einer Oberfläche, bevor man zur CFD übergeht.

Oberflächenkrümmungsanalyse: Visualisierung der Krümmung über die gesamte Karosserie

Nach Abschluss der Prüfungen auf Kontinuität und Krümmung der Körpergrenzen bestand der nächste Schritt darin, zu untersuchen, wie die Krümmung über die gesamte Karosserie verteilt war.

Im Gegensatz zur Stachelschweinanalyse, die sich auf Kurven und Grenzen konzentriert, die Oberflächenkrümmungsanalyse die gesamte Oberfläche aus und stellt die Krümmung als Farbkarte dar. Dadurch lassen sich Bereiche mit allmählicher Krümmungsänderung deutlich leichter von Bereichen mit komplexerem geometrischen Verhalten unterscheiden.

Für diese Studie wählte ich die Quadratwurzel-Gaußschen Krümmung. Diese Visualisierung bot einen klaren Überblick über die Gesamtkrümmungsverteilung des Körpers und ermöglichte mir einen effektiveren Vergleich verschiedener Bereiche der Konstruktion.

Die größeren Seitenflächen und Oberseiten wiesen breite, einheitliche Farbmuster auf, was auf relativ sanfte Krümmungsübergänge hindeutete. Im Bereich der Nase, des unteren Frontbereichs und einiger kleinerer Übergangsflächen war die Farbverteilung jedoch merklich komplexer.

Es ist wichtig zu betonen, dass diese Abweichungen nicht automatisch auf eine mangelhafte Geometrie hindeuten. Viele waren aufgrund bewusst gewählter Designmerkmale, enger Radien oder abrupter Übergänge zu erwarten. Die Analyse half vielmehr dabei, Bereiche zu identifizieren, die vor der CFD-Simulation einer genaueren Prüfung bedurften.

Abbildung 7. Vorderansicht der Oberflächenkrümmungsanalyse.

Abbildung 8. Isometrische Ansicht, die die Krümmungsverteilung über die Karosserie zeigt.

Wichtigste Beobachtung

Eine der interessantesten Erkenntnisse war der deutliche Unterschied zwischen den größeren Körperteilen und dem Nasenbereich. Während der Großteil des Körpers eine relativ gleichmäßige Krümmung aufwies, zeigte die Nase deutlich größere Variationen, was die bereits bei den Analysen von Zebra und Stachelschwein gemachten Beobachtungen bestätigte.

Obwohl es sich nicht um eine aerodynamische Studie handelte, gab sie mir mehr Sicherheit hinsichtlich der Schwerpunkte meiner CFD-Phase. Anstatt jede geometrische Abweichung als Fehler zu betrachten, halfen diese Analysen, die Bereiche zu priorisieren, die die Simulation am ehesten beeinflussen würden.

Von der Oberflächenanalyse bis zur SIMULIA CFD: Warum die Nase mehr Aufmerksamkeit verdiente

Nach Abschluss der Oberflächenanalysen wurde eines deutlich: Die Nase erwies sich durchweg als der kritischste Bereich der Karosserie.

Jede Analyse – Zebra, Connect Checker, Porcupine und Oberflächenkrümmung – hob deutliche geometrische Veränderungen im Frontbereich des Fahrzeugs hervor. Einige dieser Übergänge waren beabsichtigt und notwendig, um die gewünschte Form zu erzielen, doch die Oberflächenanalyse allein konnte nicht feststellen, ob sie sich positiv oder negativ auf die Aerodynamik auswirken würden.

Hier SIMULIA CFD zum nächsten Schritt.

Die Fahrzeugnase ist der erste größere Bereich der Karosserie, der mit dem einströmenden Luftstrom in Kontakt kommt. Sobald die Luft diesen Bereich erreicht, beginnt sie sich zu verlangsamen, um das Fahrzeug herum zu beschleunigen und die Druckverteilung herzustellen, die die gesamte Karosserie beeinflusst. Selbst relativ kleine geometrische Änderungen können den Staudruck, die Strömungsbeschleunigung, die Druckrückgewinnung und in manchen Fällen die Wahrscheinlichkeit einer Strömungsablösung beeinflussen.

Bei einem Formula Student-Rennwagen ist dies umso wichtiger, da die Nase nicht isoliert arbeitet. Sie beeinflusst direkt den Luftstrom, der auf den Frontflügel und die nachgelagerten aerodynamischen Komponenten trifft. Eine optisch glatte Oberfläche ist nicht zwangsläufig aerodynamisch effizient.

Die Oberflächenanalysen halfen mir, die relevanten Stellen zu identifizieren . Das nächste Ziel war es, durch die Auswertung der Karosserie in SIMULIA CFD zu ermitteln, ob diese geometrischen Merkmale tatsächlich den Luftstrom beeinflussen

Abbildung 9 – Wiederherstellung der importierten Geometrie vor CFD.

Abschluss

Dieser erste Schritt hat mir gezeigt, dass die Vorbereitung eines Modells für CFD weit mehr umfasst als die Erstellung eines ansprechenden CAD-Designs. Die Oberflächenanalysewerkzeuge von CATIAhalfen mir, die Geometrie besser zu verstehen, Bereiche zu identifizieren, die Aufmerksamkeit erforderten, und mehr Sicherheit zu gewinnen, bevor ich mit der Simulation begann.

Im nächsten Artikel werde ich den Arbeitsablauf fortsetzen, indem ich dieses Modell in SIMULIA Fluid Dynamics Engineer. Dort werde ich die CFD-Einrichtung und die Netzgenerierung behandeln und die ersten aerodynamischen Ergebnisse vorstellen.

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Abdulkadir Gunumdogdu

Fahrzeugdynamik-, Strukturanalyse-, Aerodynamik-Design- und CFD-Ingenieur bei Konrul Racing

Student der Maschinenbautechnik und Mitglied des Konrul Racing Teams mit Schwerpunkt auf Chassis-Design, CFD, Strukturanalysen und Fahrzeugdynamik. Erfahrung mit CATIA, 3DEXPERIENCEund ANSYS für Formula Student und UAV-Entwicklung. Leidenschaft für Motorsport-Engineering und simulationsbasiertes Design.

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