Simulação em tempo real e otimização paramétrica aplicadas a veículos de

competição: O Caso BMW Team Brasil

Março 2013

Agenda

• Introdução

• Objetivos

• Metodologia

• Modelagem do veículo e pista

• Simulações de max performance

• Validação do modelo

• Setup do problema de otimização (VI-CRT e mF)

• Variáveis de otimização

• Resultados

• Conclusões

Introdução

• Durante o ano de 2012 foi disputado um campeonato da categoria FIA GT3 no Brasil.

• Equipes das grandes montadoras estiveram representadas, como BMW, Ferrari, Mercedes, Lamborghini e etc.

• Os veículos desta categoria são extremamente, velozes, nivelados em performance e complexos de serem ajustados.

Introdução

• O campeonato foi disputado etapa a etapa e ponto a ponto.

• Qualquer diferencial competitivo poderia fazer a diferença entre vencer e chegar na 2ª posição.

Introdução • O pouco tempo de experiência com o veículo e o curto tempo de

ajustes durante os finais de semana, foram cruciais para a iniciativa de desenvolver uma nova metodologia de trabalho afim de achar o setup ideal do carro para cada pista.

• Quando aliados, a disponibilidade de dados de telemetria na pista e do veículo fornecidos pelo fabricante, favoreceram a utilização das ferramentas de simulação e otimização com bons resultados em relativo curto prazo.

Objetivos

• Os objetivos do presente trabalho foram:

– Modelar e validar o veículo BMW Z4, categoria FIA GT3

– Criar modelos de pistas nas quais as provas ocorreriam

– Definir as variáveis para otimização

– Criar um projeto de otimização para minimizar tempo de volta, com restrições

– Disponibilizar os resultados do simulador e otimizador (VI-CRT+mF) no final de semana de corrida para uso pela equipe

Metodologia

• Para a modelagem do veiculo foi adotada a ferramenta VI-CRT.

• Essa ferramenta contempla a modelagem do veículo, da pista, do piloto e é capaz de realizar simulações de melhor tempo de volta.

• Para a otimização foi utilizada a ferramenta Mode-Frontier.

• O Mode Frontier é capaz de definir e alterar variáveis de otimização num modelo, conforme técnicas de DOE e automatizar as simulações com essas variações.

Metodologia

• Para alimentar e validar o modelo (muito importante para que os resultados do otimizador estejam corretos!) foram utilizados dados oriundos de medições em laboratório e de telemetria em pista.

• A telemetria em pista também serviu para alimentar a ferramenta de construção das pistas e ajuste de traçado do simulador.

Modelagem do veículo • O modelo do veiculo foi desenvolvido na plataforma VI-CRT

• O VI-CRT é uma ferramenta de simulação de dinâmica veicular em tempo real

• Ela utiliza uma representação aproximada da suspensão baseada em sua elastocinemática e gera um modelo simplificado, porém representativo.

10

• Massa suspensa: • Chassi rígido com 6 DOF • Suspensão independente na dianteira e

traseira. • Sistema de direção • Freio • Motor, transmissão e diferencial • Pneus (Pacejka Formulas) • Cada roda: 2 DOF • Cada pneu: 2 estados auxiliares • Forças aerodinâmicas

L wb

H wc,r H wc,f x

z

Vista lateral

tk

H rc

y

z

L

Vista Frontal

Direção de Trabalho da Suspensão

VI-CarRealTime modelo do veículo

)( , zy V

Dados gerais do veículo

• O chassi é considerado como uma massa rígida.

• Suas principais propriedades estão descritas abaixo.

Massa total do Veículo: 1192 kg Bitola Dianteira: 1640 -> 1660 mm Bitola Traseira: 1650 -> 1700 mm Entre eixos: 2509 mm Massa de Equilíbrio de Performance: 85 kg Massa Não Suspensa por suspensão dianteira: 35 kg Massa Não Suspensa por suspensão traseira: 40 kg

Suspensões dianteira e traseira

• As suspensões do BMW Z4 foram geradas a partir da introdução dos dados de elastocinemática medidos em máquinas de ensaio diretamente nos dados de entrada do ambiente VI-CRT

• A suspensão dianteira é do tipo strut on springs. No lugar da bandeja inferior tem-se dois braços independentes de controle.

• A suspensão traseira é do tipo trailing arm com bracos de controle laterais.

strut on springs

Suspensão dianteira

Suspensão traseira

trailing arm com bracos de controle laterais

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6

Stif

fne

ss (

N/m

m)

Position Number

SPRING1-FRONT

SPRING1-REAR

SPRING2-FRONT

SPRING2-REAR

SPRING3-FRONT

SPRING3-REAR

Molas

• As molas são utilizadas em jogos, com rigidezes variando dentro de cada set.

600 500 400 300 200 100

Amortecedores

• Os amortecedores são ajustáveis em bounce e rebound.

Sistema de direção

• O sistema de direção é do tipo pinhão e cremalheira com uma curva de steering ratio representada pelo gráfico abaixo:

Powertrain

• O mapa do motor e criado a partir dos dados de dinamômetro. A curva usada de base pode ser vista abaixo:

Freios • O sistema de freios e representado por seus

parâmetros de projeto, conforme interface abaixo:

Mapas aerodinâmicos

• O Cx de referencia é 0.5. Esse Cx é levantado a uma velocidade de 140 km/h.

• A partir dele são levantados os Cx para diferentes velocidades e posições das asas e alturas de trabalho

Mapas aerodinâmicos

• O mesmo procedimento e adotado para os coeficientes de downforce Cz, dianteiro e traseiro.

Modelagem das pistas

• VI-Road: É uma ferramenta de criação de pista, aberta ou fechada, que utiliza inúmeros formatos de dados de entrada: cad, gps, telemetria, etc.

interlagos guaporé

Manobra max-performance

• MaxPerformance é um evento no VI-CRT que é utilizado para definir um limite dinâmico de perfil de velocidades num circuito.

• O evento utiliza um solver estático (VISpeedGen) para calcular um perfil de velocidades e depois verifica se o perfil calculado é viável através do solver dinâmico.

• Se for inviável, o solver estático calcula um novo perfil somente próximo da região inviável.

• O processo é repetido até um perfil de velocidades viável em todo o traçado ser encontrado.

Validação do modelo

• A validação do modelo pode ser vista pela comparação com a telemetria: simulação, telemetria

Velocidade longitudinal

Yaw rate

Simulação Telemetria

Simulação Telemetria

• Qual o melhor setup?

+ Aerofólio

Altura de rodagem

Jogo de molas

Amortecedores

Alinhamento

Barras estabilizadoras

• Opções de Projeto:

Infinitas combinações

• Metodologia Tradicional Tem

tempo? Definir Ajustar

Modifica

Testar Avaliar

Sim

Não

Corrida

•Desafios •Processo laborioso; •Grande número de opções; •Problema altamente não-linear; •Pouco tempo disponível; •Método empírico;

• Metodologia baseada em otimização:

•Desafios tradicionais: •Processo laborioso; •Grande número de opções; •Problema altamente não-linear; •Pouco tempo disponível; •Método empírico;

Variáveis de Projeto

Objetivos e restrições

Ferramenta de simulação

(ViCRT)

Software de otimização

Configuração Ótima

Processo automático Algoritmos robustos de otimização Método científico

Nova abordagem:

• modeFRONTIER: • Ambiente de otimização multidisciplinar • Permite o acoplamento com diferentes ferramentas de CAE.

• Setup da Otimização: • Considerações:

• Tempo por análise: 02 a 03min;

• Processo automatizado: ~600 análises/dia;

• Resumo do Problema: • 14 variáveis de entrada; • 02 restrições; • 01 Função Objetivo;

• Target: resposta em aprox. 01 dia; •Estratégia: Algoritmo Genético - MOGA-II

• Robusto (independe de derivadas locais);

• Permite trabalhar com restrições de projeto e variáveis discretas;

Teoria da Evolução • Ambiente • Indivíduo • Aptidão

Algoritmos Genéticos • Problema • Possível configuração • Qualidade da Solução

População Inicial ex.: pontos aleatórios

Melhores configurações são combinadas através de operações de CrossOver e Mutação, …

Próxima geração de configurações

Seleção Natural Melhores Indivíduos

Gráfico de Histórico

Estatística

• Número de simulações = 600 • Aprox. 01 dia de cálculo • Configurações viáveis = 547

• Tempo Setup Inicial = 98.38 • Tempo Otimizado = 97.00

Setup Inicial (98.38)

Setup otimizado (97.00)

Análise de Sensibilidade – Tempo de volta

Parâmetros significativos • Ajuste mola Traseira

• TOE: roda traseira direita

• TOE: roda traseira esquerda • Ângulo do Aerofólio

Análise de Sensibilidade: Velocidade Máxima

Parâmetros significativos • Ajuste da mola traseira

• Amortecedor dianteiro

• Toe: roda traseira esquerda

• Ângulo do aerofólio

Gráfico de Coordenadas Paralelas

Mola Traseira

TOE Traseira Esq.

Aerofólio Amortecedor Dianteiro

Vel. Máx. TOE Traseira Dir.

Tempo de Volta

Gráfico de Coordenadas Paralelas

Mola Traseira

TOE Traseira Esq.

Aerofólio Amortecedor Dianteiro

Vel. Máx. TOE Traseira Dir.

Tempo de Volta

Intervalo com 95% de confiança.

Conclusões

•A metodologia aplicada apresentou-se extremamente viável para a utilização em ambientes de competição, onde os períodos para teste são restritos. •Este tipo de metodologia pode ser aplicado tanto em ambientes de competição como no ambiente da indústria (obviamente com funções objetivas diferentes) •Apesar do grande auxilio dos softwares de simulação e otimização na solução dos problemas, o conhecimento e desenvoltura de um engenheiro faz-se necessário.

Jean Tavares Horcaio E-mail: jhorcaio@ford.com ou jyzf@uol.com.br