FIA und der Motorsport

Die FIA (Fédération Internationale de l’Automobile), der internationale Motorsportverband, spielt eine wichtige Rolle als Regulierungs- und Koordinierungsinstanz in der Welt des Motorsports. Eine ihrer Aufgaben ist es, Sicherheitsstandards festzulegen, die die teilnehmenden Fahrzeuge und ihre Fahrer erfüllen müssen. Ein wichtiger Teil davon sind die Anforderungen an den Überrollkäfig. Diese Konstruktion sorgt für den notwendigen Schutz der Fahrer von Fahrzeugen im Motorsport.

Simulieren statt Testen

In der Vergangenheit war es üblich, dass Überrollkäfige physikalischen Tests unterzogen wurden, um festzustellen, ob sie den FIA-Sicherheitsnormen entsprechen. Dazu wird zunächst ein Überrollkäfig erstellt, der einer Reihe von zerstörenden Tests unterzogen wird. Ein alternativer Ansatz besteht darin, diese Tests mit einem digitalen Zwilling in der virtuellen Welt durchzuführen. Simulationen bieten eine effiziente Methode zur Prüfung von Überrollkäfigen nach den FIA-Sicherheitsstandards. Diese Methode bietet erhebliche Vorteile, darunter Kosten- und Zeiteinsparungen sowie schnelle Iterationen. Ein weiterer Vorteil ist die frühzeitige Erkennung potenzieller struktureller Probleme und die Aufdeckung möglicher Gewichtseinsparungen.

Femto Engineering ist seit letztem Jahr von der FIA akkreditiert und damit das einzige Unternehmen in den Benelux-Ländern, das anhand von Simulationen prüft, ob Überrollkäfigstrukturen den FIA-Sicherheitsstandards entsprechen. Unsere Akkreditierung ist in der Technischen Liste 35 der FIA enthalten, die alle akkreditierten Unternehmen umfasst, die solche Simulationen durchführen.

Einrichten einer Simulation

Anhand der 3D-CAD-Konstruktion des Überrollkäfigs wird ein Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) erstellt, um das mechanische Verhalten des Überrollkäfigs genau darzustellen. Durch die Umwandlung der Geometrie in ein FE-Modell können Simulationen erstellt werden, um die Prüfung der Struktur so nachzuahmen, wie sie in der Realität stattfinden würde.

Darüber hinaus ist es wichtig, dass im FE-Modell die gleichen Randbedingungen gelten wie bei den physikalischen Tests. Wenn beispielsweise der Überrollkäfig während einer Prüfung unten vollständig eingespannt ist, muss die Struktur auch im FE-Modell an der Einspannstelle fixiert sein. Außerdem müssen die Kontaktpunkte zwischen dem Ausleger, mit dem die Last aufgebracht wird, und dem Überrollkäfig selbst genau so positioniert werden, dass sie mit denen des physischen Tests übereinstimmen. Natürlich wird auch ein möglicher interner Kontakt zwischen den Rohren des Rahmens berücksichtigt.

Ein Beispiel für das Modell in einem speziellen Test ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt, in der eine vertikale Verschiebung aufgetragen wird.

Das Material spielt eine große Rolle für das Verhalten

Die FIA schreibt vor, dass alle Rohrprofile des Überrollkäfigs aus der Legierung 25CrMo4 bestehen müssen. Da dieser Werkstoff bis zum Erreichen der Streckgrenze ein elastisches Verhalten zeigt und sich danach plastisch verformt, muss ein linear elastisch-plastisches Materialmodell verwendet werden. Dieses Materialverhalten wird in der Simulation mit der echten Spannungs-Dehnungs-Kurve von 25CrMo4 nachgebildet.

Durch die Verwendung eines so genannten expliziten Solvers können sowohl große plastische Verformungen als auch das mögliche Auftreten von Knicken in den Rohren des Überrollkäfigs berücksichtigt werden. Die Simulationen basieren auf dem ‚FIA Homologationsreglement für Sicherheitskäfige 2023‘, wobei drei Tests simuliert werden. Anhand der Ergebnisse wird die Festigkeit und Steifigkeit des Überrollkäfigs bestimmt, und es kann festgestellt werden, ob er die von der FIA festgelegten Anforderungen erfüllt. Ein mögliches Ergebnis könnte auch eine Gewichtseinsparung sein, was für den Hersteller sehr interessant sein könnte.

Das Ergebnis des simulierten Tests

Für die FIA-Zulassung sind drei verschiedene Tests erforderlich, wobei die Belastung pro Test durch das Gewicht des Fahrzeugs und seinen Typ bestimmt wird. Die FIA schreibt auch bestimmte Abmessungen für die Ausleger und die Geschwindigkeit vor, mit der die Tests durchgeführt werden müssen.

Wie bereits erwähnt, wird bei einem der Tests eine vertikale Belastung des Überrollkäfigs über einen Ausleger aufgebracht, ein Beispiel für eine Simulation wurde bereits genannt. Für diese Art von Überrollkäfig beträgt die vorgeschriebene Last für diesen Test 70,5 kN. Die FIA gibt eine maximale Verformungsgrenze von 50 mm vor. Bleibt die maximale Verformung unter diesem Grenzwert und bleibt die Struktur ohne Rissbildung intakt, erfüllt sie die FIA-Anforderungen.

Die übrigen Prüfungen erfolgen nach einem ähnlichen Verfahren.

Left: Displacement                                     Right: Stress

Schlussfolgerung

Wenn die Simulationen bestätigen, dass der Überrollkäfig alle FIA-Anforderungen erfüllt, erstellt Femto einen umfassenden Bericht, der die Modellbeschreibung, die durchgeführten Simulationen, die Ergebnisse und die Schlussfolgerungen enthält. Dieser Bericht dient als offizielle Bescheinigung, dass der Überrollkäfig den FIA-Normen entspricht. In der Regel beträgt die Durchlaufzeit für ein solches Projekt weniger als eine Woche.

Sollte die Struktur versagen, werden Empfehlungen für Verbesserungen ausgesprochen, und die Konstruktion kann mithilfe von Simulationen schnell überarbeitet werden. In anderen Fällen kann die Konstruktion leichter gestaltet werden.

Bei Fragen oder Wünschen kontaktieren Sie uns bitte über das unten stehende Formular oder telefonisch.

Contact us +31 (0)15-285 05 80 info@femto.eu