Betriebs-Simulationen von Kabeln und Schläuchen – erweiterte Kabelphysik

Im Fahrzeugbetrieb werden Leitungen durch Bewegung und Fahrwerkskräfte angeregt. Leitungen mit großen Schwingungsamplituden, wie Kabel und Schläuche im Fahrwerksbereich, simulieren wir im Zeitbereich unter Berücksichtigung der vollen geometrischen Nichtlinearität.

• Reicht der vorgesehene Bauraum auch bei starken Trägheitseffekten?
• Welche Lasten wirken auf Stecker und Verbindungselemente?

Höherfrequente Schwingungen und Resonanzanalyse

Für höherfrequente Vibrationen linearisieren wir unser Modell und führen Simulationen im Frequenzbereich durch. So lassen sich zentrale Fragen beantworten:

• Welche Resonanzfrequenzen treten bei der gegebenen Leitungsverlegung auf?
• Wie lassen sich kritische Resonanzen vermeiden?
• Wie stark werden Vibrationen und Geräusche entlang der Leitungen übertragen?

Letzteres ist vor allem bei Elektrofahrzeugen wichtig, weil dort das dominante Motorengeräusch wegfällt.

Dynamische Steifigkeiten als Basis für NVH-Optimierungen

Für die Analyse der Geräuschübertragung setzen wir auf zwei Ansätze, die beide auf »dynamischen Steifigkeiten« basieren. Diese zeigen, wie stark Vibrationen entlang der Leitungen übertragen werden.

1. Direkt in der Konstruktion: Die dynamischen Steifigkeiten unterstützen konzeptionelle Entscheidungen, z. B. die Leitungsvariante zu wählen, die weniger unerwünschte Geräusche überträgt.
2. Export für NVH-Simulationen: Die Übertragungsfunktionen lassen sich in detaillierte NVH-Untersuchungen des Teil- oder Gesamtfahrzeugs einbinden. Denn Kabel und Schläuche werden in Fahrzeug-NVH-Simulationen – wegen der hohen Modellkomplexität – oft stark vereinfacht oder gar nicht berücksichtigt. Unser Ansatz ermöglicht es, Leitungen effizient und realistisch zu integrieren.

Bei Simulationen der Kabeldynamik – sowohl in nichtlinearen Zeitbereichs-Simulationen als auch für NVH-Analysen – ist die Wechselwirkung mit flexiblen Clips entscheidend. Nur so lassen sich realistische Ergebnisse erzielen und die tatsächliche Dynamik der Leitungen im Fahrzeugbetrieb abbilden.

Kabel und Schläuche sind im Fahrzeug meist an Start und Ende über Stecker, oft aber auch entlang der Leitung mit Clips, Haltern oder Kabelführungen befestigt. In vielen Simulationen werden diese Befestigungen vereinfacht als starre Bauteile modelliert. Häufig liefert das ausreichend genaue Ergebnisse.

In bestimmten Anwendungen ist jedoch die flexible Modellierung entscheidend – etwa, wenn die Nachgiebigkeit der Halter nötig ist, um fehlende Leitungslänge auszugleichen. Typische Fragestellungen sind:

• Kann der Clip die Leitung in der vorgesehenen Verlegung halten?
• Wie nachgiebig darf (oder soll!) eine Befestigung sein?
• Werden zusätzliche Befestigungspunkte benötigt?
• Wie verändern sich die Lasten auf Leitung und Befestigung, wenn diese flexibel und nicht starr sind?

Solche Fragen lassen sich nicht durch isolierte Untersuchungen von den Kabeln oder den Haltern beantworten, sondern nur in der gekoppelten Simulation. 

Effiziente Methodik für flexible Befestigungen

Wir haben am Fraunhofer ITWM eine effiziente Methodik entwickelt, die die Flexibilität von Clips und Haltern in der Kabelsimulation berücksichtigt – und das bei nahezu gleicher Berechnungszeit. Entscheidend sind dabei sowohl geeignete Modellreduktionsansätze als auch eine geschickte Formulierung der Kopplung. Besonders die typischerweise nicht-konsistente räumliche Diskretisierung stellt eine Herausforderung dar.

Dynamische Anwendungen und Lebensdauerbewertungen

In dynamischen Anwendungen ist die flexible Modellierung von Clips und Haltern meist wichtiger als in quasi-statischen Szenarien. Für NVH-Betrachtungen ist sie sogar unverzichtbar: Ideale starre Clips und Halter würden sämtliche Vibrationen tilgen – ein unrealistisches Szenario.

Auch bei Lebensdauerbewertungen spielen flexible Befestigungen eine zentrale Rolle. Wird die Nachgiebigkeit ignoriert, werden simulierte Lasten überschätzt und die Lebensdauer der Leitung unterschätzt.

Egal wie sorgfältig Kabel und Schläuche virtuell verlegt wurden: Am Ende bleibt die zentrale Frage:

• Wie lange hält diese Verlegung tatsächlich?
• Oder zumindest: Lässt sich die Haltbarkeit durch eine andere Leitungsführung verbessern?

Am Fraunhofer ITWM haben wir eine simulationsbasierte Methode zur Lebensdauerabschätzung entwickelt. Die Simulationsdaten werden dabei über »stress recovery« – ein Verfahren zur Rekonstruktion der lokalen Spannungsverläufe entlang der Leitung – und anschließende Lastdatenanalyse ausgewertet und in einem abschließenden Schädigungswert zusammengefasst.

So lassen sich Varianten der Leitungsverlegung komfortabel vergleichen – ohne zusätzliche Parameter. Mit wenigen Klicks wird sichtbar, ob eine Maßnahme die Lebensdauer verbessert, keinen Effekt hat oder sie sogar verschlechtert.

Lebensdauerschätzungen in absoluten Zahlen

Wenn für das betrachtete Kabel die Kabel-Wöhlerkurve – ein von uns speziell entwickeltes Wöhlerkurven-Konzept für Kabel – vorliegt, sind auch absolute Lebensdauerschätzungen  möglich. Das ist besonders wertvoll für neue Kabeltypen oder Verlegungen, für die kaum Erfahrungswerte existieren.

Zum Erstellen einer Kabel-Wöhlerkurve sind Kabel-Lebensdauer-Versuche nötig. Der Aufwand ist jedoch deutlich geringer als bei konventionellen iterativen Tests. Unser Verfahren kann auf nahezu beliebige Versuche angewendet werden, auch auf historische Daten. Die so ermittelte Kabel-Wöhlerkurve lässt sich unabhängig von den konkreten Versuchen auf beliebige Leitungsverlegungen übertragen.

Realistische Simulation für verlässliche Ergebnisse

Grundsätzlich gilt: Die Lebensdauerschätzung ist nur so präzise wie die zugrunde liegenden Simulationsdaten. Für verlässliche Ergebnisse ist es entscheidend, die richtige Modellkomplexität zu wählen.

Insbesondere die Wechselwirkung von Leitungen mit Clips und Haltern muss realistisch abgebildet werden. Nur so lassen sich Lebensdauer und Belastung korrekt einschätzen und verlässliche Aussagen treffen.