Bauteiloptimierung

Bauteiloptimierung

 

Für die Unternehmen ergeben sich dadurch die Forderungen nach kürzeren Entwicklungszeiten und kürzeren Zeiten zwischen Produktidee und Markteinführung. Die Nutzung geeigneter CA-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.


Optimierungsziele:

  •  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)
  • ... und vieles mehr.

     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.

     

     Designoptimierung / Formoptimierung


    Designoptimierung ist ein auf der Finite-Elemente-Methode beruhendes Verfahren zur Formgebung von technischen Bauteilen. Die Designoptimierung verfolgt den Zweck, die Form eines Bauteils besser an die technischen Erfordernisse anzupassen, die Optimierung kann dabei beispielsweise dazu dienen, den Materialverbrauch für ein Werkstück bei gleichem Nutzen zu minimieren. Umgekehrt kann auch bei gegebenen Materialeinsatz der technische Nutzen maximiert werden. Die Umwelt liefert viele Beispiele für eine Designoptimierung, die Evolution sorgt für eine langsame, aber fortlaufende Optimierung in Form und Funktion. Bei Bäumen lässt sich die Designoptimierung in nur einer Generation beobachten. Durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise eine statische Belastung durch Wind, ändert der Baum seine äußere Gestalt, sodass die Spannungen in seinem Stamm minimiert werden. Ein weiteres Beispiel ist der Knochenumbau um Implantate, er erfolgt ebenfalls nach biomechanischen Gesetzmäßigkeiten. Diese Beobachtungen werden für die Designoptimierung auf ein technisches Modell übertragen. Die Optimierung beginnt mit einem grobem Designvorschlag mit bekannter Lagerung, Belastung und gegebenen Grenzabmessungen. Dieses Objekt wird für die Finite-Elemente-Methode modelliert und dann der entsprechende Spannungsverlauf ermittelt. Mit Hilfe der entsprechenden Software wird nun virtuell Material an nicht belasteten Bereichen des Bauteils reduziert, bzw. an stark belasteten Stellen hinzugefügt. Nach einer gewissen Anzahl von Iterationen bildet sich eine gestaltoptimiertes Bauteil heraus.

     

     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.


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

     

     Verwendete Software


    •  OPTISTRUCT
    •  TOSCA
    •  TOSCA FLUID
    •  topoFOAM