In die CAE-Umgebung integrierte Topologie-, Gestalt- und Sickenoptimierung

Automatisch zum Ziel

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Bei der Entwicklung neuer Bauteile sind in der Regel die Anforderungen an ein Bauteil sehr komplex und bestimmen die spätere Gestalt der Komponente wesentlich. Neben den rein wirtschaftlichen Randbedingungen – die Kosten für die Komponenten sollen gering sein – können heute immer komplexere Randbedingungen als Vorgabe existieren.

Die Komponenten von Neukonstruktionen sollen einen möglichst geringen Materialeinsatz erfordern, sämtlichen strukturmechanischen Anforderungen genügen und mit einem ausgewählten Fertigungsverfahren herstellbar sein. Der zur Verfügung stehende Bauraum darf dabei jedoch keineswegs überschritten werden und meist sind komplexe Belastungen vorhanden, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen. Die Aufgabe des Konstrukteurs, der aufgrund seiner Erfahrung die Gestalt festlegt, ist es, dabei alle Randbedingungen möglichst gut zu berücksichtigen. Heute können die vom Konstrukteur entwickelten Designvorschläge, ohne einen aufwändigen Bau von Prototypen der Bauteile beziehungsweise Baugruppen zu erfordern, in Simulationsumgebungen hinsichtlich ihrer Eignung getestet werden („Virtual testing“). Ist ein Entwurf nicht den Anforderungen entsprechend, so wird dieser so lange vom Konstrukteur modifiziert, bis er den Anforderungen genügt

Optimierung in bestehender CAE-Umgebung
Können Simulationen einer Komponente durchgeführt werden, so bietet sich die automatisierte Optimierung an. Hierbei können verschiedene Verfahren herangezogen werden, die unterschiedliche Gestaltungsparameter verändern können. Je nach dem erreichten Detaillierungsgrad des zu konstruierenden Bauteils können im Bereich der Strukturoptimierung verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Wesentlich für die Akzeptanz bei einem Endanwender ist dabei, dass der Einsatz der Optimierung keine weitere Abstrahierung des bestehenden Simulationsmodells erfordert. Die Optimierungsumgebung muss sich also weitgehend in die Simulationsumgebung integrieren, so dass nur die Optimierungsziele und die Restriktionen zum Simulationsmodell hinzugefügt werden müssen. „Tosca Structure“ ist ein System zur Topologie-, Gestalt- und Sickenoptimierung, das sich nahtlos in die existierende CAE-Umgebung ingegriert. Nach der Erstellung des Simulationsmodells werden von Tosca Structure in einem vollautomatisierten Prozess die Modellveränderungen vorgenommen, um die formulierten Optimierungsziele zu erreichen. Tosca Structure bietet hierzu Schnittstellen zu den bekannten Finite Elemente Simulationswerkzeugen Ansys, Abaqus, MSC Nastran, NX Nastran, Permas und MSC Marc.
Topologieoptimierung auf reale Anforderungen
Die Topologieoptimierung ist ein Werkzeug zur Designfindung, bei dem ausgehend vom maximal zur Verfügung stehenden Bauraum das Material optimal hinsichtlich bestimmter Zielkriterien verteilt wird. Typische Zielgrößen sind beispielsweise Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Reaktionskräfte/-momente, Schwerpunktslage, Trägheitsmomente, Durchbiegungen, bzw. die Menge an eingesetztem Material. Die Nebenbedingungen stellen die Restriktionen des Problems dar, d.h. klassische Optimierungsprobleme sind Massenminimierungen mit Steifigkeits- oder Lebensdaueranforderungen an Bauteile. Mit der Version 6.2, der aktuellen Softwareversion des Optimierungspaketes Tosca Structure, sind nun weitere Größen in der Optimierung als Restriktionen bzw. Zielgrößen für die Topologieoptimierung verwendbar. Neben statischen und modalen Größen stehen für die Topologieoptimierung nun auch Systemantworten zur Verfügung, die eine Optimierung schwingungsangeregter Bauteile bis zur Optimierung von akustischen Größen (Schalldruck an verschiedenen Stellen) zulassen. Weiterhin können auch Schnittkräfte innerhalb der Bauteile berücksichtigt werden, so dass z.B. Kräfte in Verbindungen zwischen zwei Komponenten (Schweißpunkte, Bolzen, …) hinsichtlich ihrer Belastbarkeit optimiert werden können. Am Beispiel eines Segmentes einer Kurbelwelle zeigt sich das Potential der Topologieoptimierung. Die Ausgangsgestalt der Kurbelwelle, die mit verschiedenen Lastfällen belastet wird, entwickelt durch die Optimierung die gezeigte Gestalt. Dabei entwickelt sich vor allem die Gegenmasse durch die Restriktionen für den Schwerpunkt, die Lagerkräfte, die Durchbiegung bzw. die Verdrehung und die Torsionssteifigkeit. Wesentlich für eine Weiterverwendung des Designvorschlages ist, dass das Fertigungsverfahren bereits bei der Geometriefindung berücksichtigt wird.
Berücksichtigung der Missbrauchslasten
Mit Hilfe der Gestaltoptimierung kann eine lokale Optimierung der Geometrie durchgeführt werden, so dass in kritischen Bereichen die Beanspruchung reduziert wird. Die Beanspruchung wird in vielen Fällen gleich der Spannung sein. Wird ein Bauteil mit mehreren Lastfällen beaufschlagt, beziehungsweise wird eine zyklische Belastung oder ein Lastkollektiv aufgebracht, so ist der Ort der maximalen Beanspruchung unter Umständen nicht identisch mit dem Ort der maximalen Schädigung, von dem ein Versagen der Komponente ausgeht. Mit der Gestaltoptimierung von Tosca Structure ist es in der neuen Version erstmals möglich, die Schädigung (resultierend aus den Betriebslasten) und die Beanspruchungen aus Missbrauchslastfällen zu kombinieren. Damit können die Lebensdauer erhöht und gleichzeitig die lokalen Spannungsspitzen durch seltene beziehungsweise unwahrscheinliche Missbrauchssituationen berücksichtigt werden.
Für die Optimierung des Fahrwerksbauteils wurden die Ergebnisse einer Lebensdauer bzw. Schädigungsanalyse mit den Simulationsergebnissen der Finite-Elemente Analyse kombiniert und beide Größen gleichzeitig optimiert.
Optimierung hinsichtlich akustischer Eigenschaften
Im Bereich der konstruktiven Gestaltung von Blechen ist das Einbringen von Sicken üblich. Kaum eine Blechstruktur in einem Fahrzeug kommt ohne eine Sicke zur Versteifung aus. Für die Auslegung der Versteifungssicken wurden häufig Vorschläge für Standardbauteile aus Konstruk- tionskatalogen als Vorlage herangezogen. Für komplexe Bauteilgeometrien mit komplexen Belastungssituationen werden in den letzten Jahren häufig simulationsbasierte Optimierungswerkzeuge eingesetzt, um die optimale Lage und Orientierung von Blechversteifungen zu berechnen. In der neuen Version von Tosca Structure wurden die bisherigen Möglichkeiten zur Sickenoptimierung hinsichtlich statischer Steifigkeit und Eigenfrequenzen im Bereich der dynamischen und akustischen Optimierung erweitert. Es ist nun möglich, die Oberflächenschnelle als Maß für die akustischen Eigenschaften direkt zu minimieren.
Tosca Structure KEM 581
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