09.06.2017 PLM-Tool als Konstruktionsbasis

So will BAR den America’s Cup aufmischen

Das Team Ben Ainslie Racing (BAR) nutzte bei der Konstruktion des beim America’s Cup genutzten Katamarans zwei Tools von Siemens PLM Software, um die Balance zwischen Geschwindigkeit und Stabilität des Rennboots zuverlässig zu bestimmen.

Land Rover BAR

Land Rover BAR geht mit dem Rennboot „Rita“ beim America’s Cup an den Start. Die Schiffstaufe fand auf Bermuda statt, der Basis des Teams.

Wind und Wasser stellen Segelkünste und Konstruktionskompetenz auf eine harte Probe und machen den America’s Cup zu einem Sportereignis, das an Spannung und Unberechenbarkeit seinesgleichen sucht. Im 35. Wettbewerb wollen fünf Teams den Titelverteidiger, das Oracle Team USA, herausfordern. Eines davon ist das von Land Rover unterstützte Team Ben Ainslie Racing (BAR), das aus erfahrenen Seglern, Konstrukteuren und Technikern besteht.

BAR will den America’s Cup zum ersten Mal seit 1851, als der Pokal nach der Regatta die Isle of Wight verließ, wieder nach Großbritannien holen. An der Spitze des Teams steht Olympia-Medaillengewinner Sir Ben Ainslie, der zur Siegercrew des US-Teams im 34. America’s Cup gehörte. Mitte 2014 begann das BAR-Team mit der Umsetzung eines auf zweieinhalb Jahre angelegten Zeitplans zur Konstruktion, Evaluierung und Überprüfung eines fast 19 Meter langen Katamarans mit Foils. Wichtig ist, dass die Teams ihre AC62-Katamarane erst 150 Tage vor dem ersten Qualifikationsrennen für den America’s Cup 2017 zu Wasser lassen dürfen. Für Konstruktion, Berechnungen und Leistungstests mussten daher kleinere Testmodelle und Katamarane der Klasse AC45 verwendet werden.

Ben Ainslie Racing nutzte für die Entwicklung des Bootes die Product-Lifecycle-Management-Software NX und das Produktdatenmanagement-Tool Teamcenter von Siemens PLM Software, eine virtuelle Umgebung für digitale Modellierung und Simulation. Für die Implementierung, Schulung und die Support-Leistungen war der Dienstleister Majenta PLM zuständig.

Ein Wettlauf mit der Zeit

Kenntnisse der numerischen Strömungsmechanik (CFD) sind für den Konstruktionsprozess entscheidend. Um das bestmögliche Design für den Rumpf zu finden, musste das Team in der Lage sein, schnell und konsistent zahlreiche Formen zu generieren und zu bewerten. „Die Möglichkeit, im NX-System Skripts zu verwenden und Hunderte von CFD-Geometrien auf Knopfdruck zu erzeugen, ist eindrucksvoll“, so Andy Claughton, Chief Technology Officer bei Land Rover BAR. „Die Geometrieverarbeitung dauerte früher Stunden, heute nur etwa 20 Sekunden. Das ist ein gutes Beispiel für die Leistungsfähigkeit der Software.“

Die Software erleichterte zudem das Zusammenarbeiten von Segel- und Konstruktionsteams. Erfahrungen im ersten Testboot gaben Seglern Gelegenheit, über die beste Position für Objekte wie Steuerungen und Fußkeile im zweiten Testboot nachzudenken, das Mitte 2015 zu Wasser gelassen wurde. Dazu Claughton: „Mit der Software erreichen wir genau das, was wir wollen. Ein Beispiel: Wenn eine CAD-Datei für die Bearbeitung verwendet werden soll, müssen die Oberflächen präzise sein. Das PLM-Tool ist da sehr zuverlässig. Wenn eine Oberfläche gut aussieht, ist sie auch in Ordnung. Darauf können wir uns verlassen. Außerdem ist die Software anwenderfreundlich. Wenn wir damit ein Modell erstellen und es dann erst einmal liegen lasse, ist der Wiedereinstieg einige Wochen später sehr einfach.“

Stabil und pfeilschnell

Simon Schofield, Konstrukteur im Team BAR dazu: „Die Möglichkeit, unsere Gedanken in einer parametrischen 3D-Umgebung zu erfassen, war nützlich, besonders dann, wenn Konstrukteure einen Formentwurf schnell räumlich beschreiben und zu einem späteren Zeitpunkt im Konstruktionsprozess wieder darauf zurückkommen konnten. Das ursprüngliche Konzept ließ sich mit minimaler Nacharbeit ändern und optimieren, bis die endgültige Geometrie entstand.“

„Wir hätten für das Segelteam ein Boot entwickeln können, das pfeilschnell ist, mit dem das Segeln aber unmöglich wäre“, kommentiert Claughton. „Unsere Aufgabe war es, für die Segler ein schnelles Boot zu bauen, dem sie vertrauen. Wenn sie dem Boot nicht vertrauen, wagen sie keine Manöver, mit denen sie das Rennen vielleicht gewinnen könnten.“

Die Konstrukteure mussten jedes Teil im Vorfeld berechnen, um sowohl Performance als auch Zuverlässigkeit zu maximieren. Schofield erläutert: „Die eingebetteten FEM-Solver ermöglichten die Integration unserer Belastungsberechnung durch Kombination von FEM-Funktionen und Skripting-Funktionen. Wir konnten Berechnungsschleifen automatisieren und dabei Finite-Elemente-Analyse, Vorbelastungszustand und Geometrie-Iterationen kombinieren. Dadurch wurde der Prozess der Berechnung insgesamt beschleunigt.“

Mehr als 85.000 Arbeitsstunden

Die Ergebnisse wurden in einer Tabelle mit Verknüpfungen zu Teamcenter dargestellt. Claughton fügt hinzu: „Die Fähigkeit, riesige Datenmengen zu generieren und vor der Bestätigung von Konstruktion oder Abmessungen eine Struktursimulation durchzuführen, führte zu einer Verkürzung des Zeitrahmens.“ Die Zusammenführung der Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse mit Daten, die von Sensoren auf dem Testboot erfasst wurden, gab den Konstrukteuren auch die nötige Sicherheit, Entscheidungen zu treffen und dabei ein Gleichgewicht zwischen Sicherheitsfaktoren und Leistungsfähigkeit herzustellen. Laut Schofield ergaben sich damit klare Optionen für die Umsetzung der Gewichtsvorgaben und die optimale Verteilung des Gewichts im Boot.

Die Regeln des America’s Cup sind umfangreich und anspruchsvoll. So muss das Team BAR beispielsweise die Historie jedes einzelnen Teils nachweisen und der Regelkommission Dokumente mit Angaben zum verwendeten Material vorlegen. Mithilfe der PDM-Lösung erlangte BAR die Kontrolle über den gesamten Entwicklungsprozess, vom CAD über die Simulation und die Erstellung von Zeichnungen bis hin zu Fertigung und Montage.

In mehr als 85.000 Arbeitsstunden für Konstruktion und Fertigung entstand ein 15 Meter langes Boot namens „Rita“, in dem 190 Sensoren und vier Videokameras mit 1.200 Metern elektrischer und elektronischer Leitungen verbunden sind. Durch die Zusammenarbeit mit Siemens PLM Software war das Team in der Lage, den ehrgeizigen Zeitplan einzuhalten.

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