Für die Unternehmen ergeben sich dadurch die Forderungen nach kürzeren Entwicklungszeiten und kürzeren Zeiten zwischen Produktidee und Markteinführung. Die Nutzung geeigneter CAE-Werkzeuge ist dabei zwingend erforderlich. Die Kosten eines Bauteils werden bereits beim Entwurf weitgehend festgelegt. Im Rahmen der Bauteiloptimierung sollte daher versucht werden, sich dem optimalen Design zu nähern. Bis zu welchem Maße ein Bauteil optimiert werden sollte, hängt von den Rahmenbedingungen ab. Aufwand und Nutzen sollten auch hier in einem vernünftigen Verhältnis stehen.

Die Ziele der Bauteiloptimierung im Überblick

  • Gewicht reduzieren
  • Materialkosten minimieren
  • Montageaufwand verringern, indem z.B. die Anzahl der Verschraubungen optimal gewählt wird
  • Eignung alternativer Werkstoffe prüfen (dabei müssen die Festigkeits- und Schwingungseigenschaften die geforderten  Einsatzbedingungen für die zugesagte Lebensdauer erfüllen)
  • vieles Mehr

Verfahren der Bauteiloptimierung

Merkle & Partner setzt alle gängigen Verfahren im Hause zur Lösung unterschiedlichster Aufgabenstellungen ein.

Topologieoptimierung

Topologieoptimierung bedeutet, eine zur Verfügung stehende Masse innerhalb eines festgelegten Raums so zu verteilen, dass eine bestimmte Zielfunktion ihr Extremum erreicht. In der Praxis wird die Topologieoptimierung im Konstruktionsprozess eingesetzt, um Vorschläge für Erstentwürfe von Bauteilen zu erhalten. Dabei muss sich der Konstrukteur zuerst Gedanken über den maximal zur Verfügung stehenden Bauraum und über die Randbedingungen (Lasten und Einspannungen) machen. Diese Daten werden in ein FE-Modell (FE = Finite Elemente) umgesetzt. Dabei wird oft bei der Topologieoptimierung die Reduzierung des Volumens des FE-Modells verlangt, so dass seine Steifigkeit maximal ist. Die Maximierung der Steifigkeit ist äquivalent mit der Minimierung der gesamten Dehnungsenergie. Da bei einer Topologieoptimierung Material aus dem zu optimierenden Modell entfernt werden muss, geschieht dies über die Änderung der Steifigkeit der einzelnen finite Elemente, so dass man die Steifigkeit der FE als Designvariable betrachten kann. Elemente die „gelöscht“ werden müssen, haben die Steifigkeit und die Dichte Null. Tragende Elemente haben die maximale, materialabhängige Steifigkeit und Dichte. Während einer Topologieoptimierung wird die Steifigkeit der Elemente so lange geändert, bis die gewünschte Volumen- oder Gewichtsreduktion erreicht und die gesamte Dehnungsenergie minimal ist.

Design of Experiments (DoE)

Die statistische Versuchsplanung (englisch design of experiments, DOE) wird bei Entwicklung und Optimierung von Produkten oder Prozessen eingesetzt und lässt sich auch zur Optimierung von Bauteilen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode nutzen. Mit der statistischen Versuchsplanung werden bei einer Minimierung der Versuchsanzahl die Einflussfaktoren und Wechselwirkungen auf die Zielgrößen ermittelt. Dabei wird auch die Größe der Effekte bestimmt, wodurch eine Optimierung der zu untersuchenden Prozesse möglich wird. Die Bewertung erfolgt anhand von Haupteinflussdiagrammen, Interaktionsdiagrammen und Paretodiagrammen für die einzelnen Parameter und deren Kombinationen. Mit den Haupteinflussgrößen kann im Anschluss eine weitere Optimierung erfolgen.

Behavioural Modeling Extension (BMX)

Beim Behaviour Modelling werden mit den Optimierungsparametern stochastische Parameterkombinationen erzeugt, berechnet und hinsichtlich dem geforderten Optimum sortiert. Dies kann mehrere Tausend automatisierte Rechenläufe umfassen, für die lediglich bestimmte Kenngrößen tabellarisch ausgewertet werden. Durch Sortieren der Ergebnisse lassen sich die Bereiche bestimmen, in denen bestimmte Zielgrößen optimal sind.

Sickenoptimierung

Sicken sind rinnenartige Vertiefungen oder Erhöhungen in ebenen oder gewölbten Blechflächen, wobei die Tiefe zur Länge klein ist. Sicken erhöhen die Biegesteifigkeiten eines Blechs, schwächen dagegen die Längssteifigkeiten. Sicken sind ein weitverbreitetes Verfahren zur Aussteifung von Blechen, wobei die Effekte oftmals nur sehr schwer vorhersehbar sind. Mit der Sickenoptimierung lassen sich die Form der Sicken optimal gestalten, so dass die geforderten Eigenschaften einer Blechstruktur eingestellt werden können.

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Stefan Merkle
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