Simulia Tosca Structure: Eine Gewichtsklasse leichter

Leichtere Fahrzeuge verbrauchen weniger Kraftstoff und stoßen damit weniger Kohlendioxod aus, einer der Gründe, weshalb Leichtbaukonstruktionen auf dem Vormarsch sind. Damit die Fahrzeuge auch bei Kriterien wie Leistungsfähigkeit, Preis, Herstellbarkeit usw. mit ihren schwereren Vorgängermodellen mithalten können, setzen Hersteller wie Voith oder die Scania Group spezialisierte Software für die Gewichtsoptimierung ein.

Der Autor: Michael Werner, Simulia Optimization Portfolio Technical Specialist, Dassault Systèmes, Unterschleißheim

Man verändere die Geometrie eines Bauteils immer wieder geringfügig, solange bis es wesentlich weniger Gewicht auf die Waage bringt – jedoch ohne dessen Leistungsparameter zu beeinträchtigen oder die Herstellung zu erschweren. Was manuell kaum wirtschaftlich umsetzbar ist, lässt sich mit der Methode der simulationsbasierten Strukturoptimierung am Computer realisieren, zum Beispiel mit der Optimierungssoftware Simulia Tosca Structure von Dassault Systèmes.

Am Anfang steht ein Simulationsmodell des jeweiligen Bauteils, das mithilfe der Simulationsmethode der Finiten Elemente (FEM) erstellt wird. Basierend auf aufgebrachten Lasten und Randbedingungen simuliert die Software das Verhalten des Teils in den individuell festgelegten Betriebszuständen. In einem vollautomatisierten Prozess analysiert das Programm anschließend die Ergebnisse der Simulation und verändert die Bauteilgeometrie mit mathematischen Modellen und Algorithmen. Wieder und wieder führt die Software diesen Prozess aus Simulation, Analyse und Verbesserung der Konstruktion durch, bis schließlich ein Optimum vorliegt.

Die entscheidenden Kilogramm

Die simulationsbasierte Strukturoptimierung mit Simulia Tosca Structure ist manuellen Methoden in dreifacher Hinsicht voraus: Erstens lässt sie sich in viel kürzerer Zeit umsetzen. Zweitens berechnet die Software bei Bedarf ausschließlich geometrische Varianten, die sich mit dem jeweiligen Herstellungsverfahren umsetzen lassen. Dazu legt der Anwender Kriterien wie Stanzbarkeit oder Gießbarkeit fest. Und drittens lässt sich Simulia Tosca Structure nahtlos in die bestehende CAE-Umgebung einbinden, ohne dass Veränderungen nötig sind, denn die Software unterstützt die industriellen Standard-FEM-Solver.

Dabei verwendet sie einen nicht-parametrischen Ansatz zur Geometriebeschreibung. Dadurch kann das Programm direkt auf die bestehenden Modelle aus der Simulation zurückgreifen. Zudem beschreiben nicht-parametrische Methoden die Geometrie besonders flexibel und detailliert. Daher kann das Programm bei der Suche nach alternativen Geometrien alle Formfreiheiten ausnutzen und damit am Ende vielleicht die entscheidenden Gramm oder Kilogramm herausholen.

Geringeres Gewicht, gleiche Steifigkeit

Welche Bedeutung die Optimierung von Komponenten für das Gesamtprodukt haben kann, zeigen Beispiele von Voith und der Scania Group. Voith optimierte mit Simulia Tosca Structure zum Beispiel einen Planetenträger – Bestandteil einer am Markt erfolgreichen Getriebeserie. Eine entscheidende Bedingung war dabei, dass die bisherige Funktionssteifigkeit des Serienstandes erhalten blieb, um die Lagerlebensdauer und gleichmäßige Belastung der Zahnflanken weiterhin sicherzustellen.

Im Verlauf der Strukturoptimierung identifizierte das Programm die Bereiche, die nicht zum Kraftfluss beitragen und entfernte nach und nach das überflüssige Material. Den daraus resultierenden Gestaltvorschlag für den Planetenträger importierte Voith in das CAD-System. Die Geometrie ließ sich mit geringen Modifikationen in eine gießgerechte Konstruktion übertragen. Mit Erfolg: Voith reduzierte das Gewicht um über 30 % und konnte auch die Materialkosten deutlich verringern. Gleichzeitig erfüllt das neue Design alle funktionalen Steifigkeitsanforderungen und erwies sich auf dem Prüfstand als außerordentlich robust.

Vor einer ähnlichen Aufgabe stand die Scania Group, die sich das Ziel setzte, das Gewicht bestimmter Komponenten des Motor- und Antriebsstrangs zu optimieren. Der Nutzfahrzeughersteller führte dazu die Software Simulia Tosca Structure ein. Als primäre Simulationslösung verwendet das Unternehmen Abaqus, die FEM-Simulationslösung der 3DExperience-Plattform von Dassault Systèmes. Um beispielsweise das Gewicht einer Gusshalterung zu senken, definierten die Ingenieure zunächst den Bauraum.

Anschließend formulierten sie eine Reihe von Restriktionen, so unter anderem einen Spannungsgrenzwert und bestimmte Steifigkeitsanforderungen sowie Größeneinschränkungen, um sicherzustellen, dass sich das Gussteil wirtschaftlich herstellen lässt. Im Ergebnis sparte Scania 30 % Material bei der Gusshalterung ein – und zwar bei gleicher Steifigkeit und eingehaltenen Spannungsanforderungen. Das reduzierte Gewicht der Komponenten trug dazu bei, dass Scania das Gesamtgewicht seines Fahrzeugs verringern konnte. Die Folge: eine höhere erlaubte Zuladung, ein verringerter Kraftstoffverbrauch und damit geringere CO2-Emissionen. I