Wo immer Automobilkomponenten neu entwickelt oder bestehende Komponenten überarbeitet werden, spielt der optimale Materialeinsatz eine wichtige Rolle. Denn weniger Material führt in der Regel zu geringeren Produktionskosten. Das in Catia integrierte Tool „Hypershape“ generiert gewichtsoptimierte Designvorschläge als Basis einer gewichtsoptimierten Konstruktion.
EXKLUSIV IN KEM Der Beitrag stammt von der Altair Engineering GmbH, Böblingen
Die Entwicklung einer gewichtsoptimierten Komponente, die exakt auf die Anforderungen bezüglich Größe, Festigkeit, Eigenfrequenz, Belastung, Gewicht und Herstellbarkeit abgestimmt ist, beruht meist auf empirischem Ingenieurwissen. So erstellen die Konstrukteure zunächst eine auf ihrer Erfahrung basierende CAD-Geometrie, die dann schrittweise anhand von Berechnungsergebnissen modifiziert wird und schließlich nach mehreren Iterationen eine optimale Materialnutzung sicherstellen soll. Doch im heutigen wettbewerbsgeprägten Entwicklungsumfeld erweist sich dieser Ansatz nicht mehr für jede Bauteilentwicklung als zweckmäßig. Um den Arbeitsfluss zu beschleunigen und fehleranfällige Zwischenschritte zu vermeiden, stehen heute Softwarelösungen zur Verfügung, mit denen ein optimiertes Design schneller und zuverlässiger erreicht werden kann. Um schneller (weniger Konstruktionsschleifen) zu einem gewichtsoptimierten funktionellen Bauteil zu kommen, werden simulationsgetriebene Designprozesse benötigt. Das sogenannte simulationsgetriebene Design bietet neue Wege zur Konzeptfindung, denn es zeigt bereits früh sinnvolle Entwicklungsrichtungen auf und führt bei kürzeren Konstruktionszyklen zu einem besseren Entwurf. Berechnungs- und Optimierungswerkzeuge werden im Entwicklungsprozess zur treibenden Kraft und die Rolle des CAD im Entwicklungsprozess wird neu definiert. Ausgangsbasis ist nicht mehr wie früher üblich ein CAD-Modell, das anschließend virtuell getestet und verbessert wird, sondern Designoptimierungsmethoden, die bereits in der Konzeptphase eingesetzt werden.
Auslegung eines Getriebeträgers
Seit vielen Jahren arbeiten die beiden Entwicklungsdienstleister Bel CAT Ingenieurbüro Stuttgart und Industrie Hansa Consulting & Engineering insbesondere bei automobilen Entwicklungsprojekten erfolgreich zusammen. In einem gemeinsamen Projekt bestand die Aufgabe in der gewichtsoptimierten Auslegung eines Getriebeträgers für einen großen deutschen Automobilhersteller.
Basierend auf einem gegebenen Bauraum und den statischen Lasten sowie frequenzspezifischen Vorgaben sollte der Getriebeträger an ein Motorendesign angepasst werden. In einer sehr frühen Entwicklungsphase, bereits bevor ein CAD-Modell verfügbar war, entwickelten Bel CAT und Industrie Hansa den Getriebeträger und bestimmten die ideale Materialverteilung für die gegebenen Randbedingungen und Lasten mit Auslegung eines Getriebeträgers
Durch Hypershape/Catia konnten die Ingenieure den Arbeitsablauf und den Designprozess stark rationalisieren. Im Detail folgte der allgemeine Designprozess den folgenden Schritten:
- Definition des maximalen Bauraumes
- Erste Topologie-Optimierung zur Bestimmung der Hauptlastpfade und damit zur Eingrenzung des Bauraums
- Zweite Topologie-Optimierung mit reduziertem Bauraum und Fertigungsrandbedingungen
- Automatischer Import des Designvorschlags als neues CAT Part in Catia V5
- Erstellung des CAD-Modells, basierend auf dem Designvorschlag,m Durchführung der detaillierten FE-Analyse
Mit diesem Designprozess konnten Bel CAT und Industrie Hansa das finale Design dieses Bauteils in nur zwei Optimierungsschritten erreichen, eine Formoptimierung war in diesem Anwendungsfall nicht nötig. Hypershape/Catia bietet, nahtlos in Catia V5 integriert, nahezu alle Funktionen und Eigenschaften von „Optistruct“, der Optimierungslösung der Hyperworks-Entwicklungsumgebung. Innerhalb der vertrauten Benutzeroberfläche von Catia V5 können Konstrukteure den Bauraum definieren, eine Optimierung durchführen und letztlich ein auf dem importierten Designvorschlag basierendes CAD-Modell erstellen. Damit hat nun der Konstrukteur ein Konzept-Design erzeugt, das die ideale Basis für die weiteren Prozess-Schritte bis zum fertigen Bauteil bildet. Die Optimierungsdisziplinen, die dem Anwender mit Hypershape/Catia zur Verfügung stehen, umfassen Topologie-, Topographie-, Freiform- und Wandstärkenoptimierung.
Altair; Telefon: 07031 6208-0; E-Mail: bromberger@altair.de
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