FEM-Simulation für Aerocockpits: Lasten früh verstehen

Radsport erfreut sich seit Jahren wachsender Beliebtheit, sowohl im Freizeitbereich als auch im leistungsorientierten Wettkampf, etwa im Triathlon. Um eine möglichst aerodynamische Sitzposition zu erreichen, werden häufig sogenannte Aerocockpits eingesetzt. Sie ermöglichen es dem Fahrer, den Oberkörper abzusenken und die Unterarme aufzulegen, wodurch der Luftwiderstand deutlich reduziert wird.

Gleichzeitig zählen Aerocockpits zu den am stärksten beanspruchten Bauteilen an einem Rennrad. Sie müssen leicht und steif sein und dabei unter realen Fahrbedingungen sicher bleiben. Dauerlast in der Aeroposition, asymmetrische Abstützung, Schlaglöcher oder Bremsmanöver können gleichzeitig auf das Bauteil wirken.

Ob ein Aerocockpit diese Anforderungen erfüllt, entscheidet sich nicht erst im Praxistest, sondern schon im Konstruktionsprozess. In diesem Zusammenhang haben wir gemeinsam mit Martin Brüggemann, der sich zum Ziel gesetzt hat, das beste selbstgebaute Aerocockpit zu entwickeln, an einem konkreten Aerocockpit-Riser gearbeitet und den Entwicklungsprozess durch Simulation begleitet.

Das Projekt ist unter https://aerocockpit.org zu verfolgen.

Von der Sitzposition zu realen Lasten

In der Aeroposition werden bis zu 60 % des Körpergewichts des Fahrers über die Unterarme auf das Aerocockpit übertragen. Diese Last wirkt nicht rein nach unten; aufgrund von Geometrie und Hebelarmen entstehen signifikante Biegemomente.

Zusätzlich kommen folgende Effekte hinzu:

• asymmetrische Lasten durch ungleichmäßige Körperhaltung oder einseitige Abstützung
• dynamische Lasten durch Schlaglöcher oder Fahrbahnkanten
• kombinierte Szenarien wie starkes Bremsen in der Aeroposition

Ein Bauteil kann optisch gut konstruiert wirken und trotzdem unter realen Belastungen versagen, wenn diese Effekte nicht berücksichtigt werden.

Herausforderungen bei der Simulation von Aerocockpits

Nachdem die Lasten verstanden waren, haben wir gemeinsam mit Martin klare Ziele definiert. Vor allem im Leistungssport ist das Gewicht ein entscheidender Faktor. Daraus ergab sich schnell eine klare Zielsetzung: ein Bauteil, das so formstabil wie möglich ist und dabei auf minimales Gewicht optimiert wird.

An dieser Stelle entsteht häufig ein Konflikt mit dem, was in vielen Konstruktionsprozessen heute tatsächlich umgesetzt wird. Manuell definierte Lastfälle, komplexe Darstellungen von Asymmetrien, zeitintensive Konstruktionsiterationen und die Notwendigkeit von Expertenwissen führen oft dazu, dass Simulation erst spät im Prozess oder nur punktuell eingesetzt wird.

Genau das ist der kritische Punkt: Zu diesem Zeitpunkt sind zentrale Konstruktionsentscheidungen bereits getroffen, Geometrien liegen fest und Änderungen werden teuer. Simulation wird dann häufig nur noch zur Validierung genutzt statt als Konstruktionswerkzeug. Das eigentliche Potenzial der FEM (Risiken früh zu erkennen, gezielt zu optimieren und fundierte Entscheidungen zu ermöglichen) bleibt weitgehend ungenutzt.

Um ihre Vorteile vollständig auszuschöpfen, muss Simulation früh, einfach und iterativ eingesetzt werden, genau dort, wo konstruiert und entschieden wird.

FEM im Dialog: Sie beschreiben, was passiert, Dr.Q simuliert

Deshalb setzen wir auf einen KI-gestützten Ansatz für die FEM-Simulation: einer, der kurze Iterationszyklen ermöglicht und sich am Denken des Nutzers orientiert. Statt die Bedienung komplexer Software zu erlernen, können Lastszenarien so beschrieben werden, wie sie im echten Leben verstanden werden.

Der Simulations-Workflow ist bewusst schlank:

• CAD-Modell hochladen
• Werkstoff wählen
• Szenario beschreiben

Mit Dr.Q müssen keine technischen Solver-Einstellungen definiert werden. Stattdessen werden physikalische Randbedingungen so beschrieben, wie sie wahrgenommen werden:

• „Eine Kraft von 300 Newton wirkt auf Fläche X."
• „An einem Ende wirkt ein Drehmoment, das andere Ende ist fixiert."
• „Auf dieser Fläche wirkt Druck, eine andere ist eingespannt."

Dr.Q interpretiert diese Beschreibungen und übersetzt sie automatisch in einen vollständigen Simulations-Workflow. Dazu gehört die Definition von Kräften, Momenten und Zwangsbedingungen. Vernetzung und Berechnung laufen automatisch und liefern in kurzer Zeit belastbare Erkenntnisse zu Spannungsverteilungen und Verformungen unter realen Lastbedingungen.

Auf diese Weise wird Simulation vom Spezialistenwerkzeug zum frühen Entscheidungsinstrument.

Erste Auslegung: Funktional, aber überdimensioniert

Der ursprüngliche Aerocockpit-Entwurf folgte einer durchgehenden, gleichmäßigen Struktur ohne gezielte geometrische Optimierung entlang der tatsächlichen Lastpfade. Dieser konservative Ansatz stellte sicher, dass alle auftretenden Lasten zuverlässig aufgenommen werden konnten.

Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Spannungen und Verformungen deutlich unter den kritischen Grenzwerten lagen, selbst unter ungünstigen Lastkombinationen. Aus mechanischer Sicht war das Bauteil damit klar ausreichend dimensioniert.

Gleichzeitig wurde deutlich, dass dieser sicherheitsgetriebene Ansatz mit hohem Materialeinsatz einherging. Auch niedrig belastete Bereiche wurden massiv ausgeführt, was zu unnötigem Gewicht führte. Erst durch die Analyse der Spannungsverteilung wurde ersichtlich, wo Material reduziert werden kann, ohne die Sicherheit zu gefährden.

Dieser ursprüngliche Entwurf war für den 3D-Druck vorgesehen. Es zeigte sich jedoch schnell, dass die Festigkeit des FDM-Materials nicht ausreichte, weshalb die Entscheidung fiel, auf ein homogenes metallisches Bauteil umzustellen.

Zweite Auslegung: Material dort, wo es zählt

In der zweiten Konstruktionsiteration wurde der Querschnitt gezielt an die tatsächlichen Lastpfade angepasst. Statt einer durchgehend massiven Struktur wurde Material im Bereich der neutralen Achse reduziert, und zwar dort, wo bei Biegebeanspruchung nur geringe Spannungen auftreten.

Der resultierende Querschnitt folgt funktional dem Prinzip eines I-Trägers. Diese Geometrie nutzt Material effizienter, weil die tragenden Randbereiche verstärkt bleiben, während der weniger belastete Kern entlastet wird.

Die FEM-Simulation bestätigte diesen Ansatz. In den äußeren, hoch belasteten Bereichen stiegen die Spannungen erwartungsgemäß leicht an, blieben aber deutlich unter den zulässigen Grenzwerten. Gleichzeitig wurde das Gewicht reduziert, ohne die strukturelle Sicherheit zu gefährden.

Optimierte Auslegung: Konsequent an den Lastpfaden ausgerichtet

Im finalen Entwurf wurde das Prinzip der zweiten Iteration konsequent weiterentwickelt. Material im Bereich der neutralen Achse wurde vollständig entfernt, was zu einem Querschnitt führte, der funktional exakt den Lastpfaden folgt.

Das Ergebnis ist eine Struktur mit klar definierten Randbereichen, die gezielt darauf ausgelegt sind, die auftretenden Stützkräfte und Momente aufzunehmen. Diese Zonen sind geometrisch so gestaltet, dass sie genau den benötigten Querschnitt für die lokalen Spannungen und Verformungen bereitstellen.

Die FEM-Simulation zeigte, dass die Spannungen in den Randbereichen weiter anstiegen, aber immer noch deutlich unter den zulässigen Höchstwerten lagen. Gleichzeitig wurde das Gewicht erneut reduziert, ohne Einbußen bei Steifigkeit oder Sicherheit.

Modellbeschreibung & Randbedingungen eines beispielhaften Lastfalls

Werkstoff Für die Auslegungsbewertung wird die Aluminiumlegierung 6061 betrachtet. Zur Beurteilung von Verformung und Festigkeit werden Elastizitätsmodul und Streckgrenze verwendet.

Aluminium 6061: Elastizitätsmodul ≈ 70 GPa, Streckgrenze ≈ 110 MPa

Last- und Randbedingungen Eine Auflagerkraft von 250 N und ein Drehmoment von 30 Nm werden aufgebracht. Das Bauteil ist unten im Bereich eines Radius fixiert. Es wird ein statischer Lastfall betrachtet.

Bauteilabmessungen (B × T × H) 25 × 65 × 110 mm

Simulationsergebnisse

Spannung Maximale Vergleichsspannung: < 70 MPa Angenommene Streckgrenze: 205 MPa Erforderlicher Sicherheitsbeiwert: 1,5

Verformung Maximale Verformung: 0,284 mm

Der Festigkeitsnachweis ist bei einer maximal auftretenden Spannung von 61,2 MPa mit einem Sicherheitsbeiwert von 1,8 erfüllt. Die geringe Verformung deutet auf hohe Steifigkeit und ausreichende Gebrauchstauglichkeit hin.

Lasten verstehen, bevor sie zum Problem werden

Das Aerocockpit-Beispiel zeigt, wie entscheidend es ist, reale Lastfälle früh im Entwicklungsprozess zu berücksichtigen. Aerocockpits und ihre Riser sind Bauteile mit komplexen Belastungssituationen, deren Anforderungen sich nicht aus idealisierten Annahmen ergeben, sondern aus tatsächlichen Fahrszenarien.

Die schrittweise Weiterentwicklung des Designs, vom konservativen Ausgangskonzept über einen lastangepassten Querschnitt bis hin zur konsequenten Materialreduktion entlang der Lastpfade, zeigt deutlich, welchen Wert FEM-Simulation liefern kann, wenn sie früh und iterativ eingesetzt wird.

Wer reale Lasten früh versteht, konstruiert bessere Produkte. Wer sie einfach simulieren kann, konstruiert schneller.

Dr.Q macht FEM-Simulation zugänglich. So einfach wie ein Gespräch.

Besonderer Dank gilt Niclas Holz für die Mitarbeit an diesem Projekt und die Unterstützung bei diesem Artikel sowie Martin Brüggemann für die Idee, die 3D-Daten und die insgesamt hervorragende Zusammenarbeit.