Struktur im Fokus

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 keinesfalls überschritten werden und meist sind komplexe Belastungen vorhanden, die bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen.

Unter solch komplexen Randbedingungen unterstützt das Verfahren der Topologieoptimierung ideal die Erstellung optimaler Designentwürfe. Im hier beschriebenen Beispiel der Optimierung eines Umlenkhebels aus einem Fahrzeug wurden sämtliche Konstruktions- und Simulationsaufgaben innerhalb der CAD-NX Umgebung vorgenommen, während für die Topologieoptimierung das Modul von „Tosca Structure“ des Anbieters FE-Design benutzt wurde.

Die Topologieoptimierung ist ein Werkzeug zur Designfindung, bei dem ausgehend vom maximal zur Verfügung stehenden Bauraum das Material optimal hinsichtlich bestimmter Zielkriterien verteilt wird. Für die Formulierung der Zielfunktionen und Nebenbedingungen des Optimierungsproblems steht dem Anwender eine Vielzahl von Systemantworten zur Verfügung, die auch beliebig kombiniert werden können. Typische Zielgrößen sind beispielsweise Masse, Volumen, Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Reaktionskräfte/-momente, Schwerpunktslage, Trägheitsmomente oder Verschiebungen. Ausgangsbasis für die Durchführung einer Topologieoptimierung ist ein lauffähiges Finite Elemente Modell, an dem alle relevanten Lastfälle im vorhandenen Bauraum definiert sind. In einem iterativen Prozess wird ein unter den gegebenen Randbedingungen entsprechender Designvorschlag gefunden und als Grundlage für die Konstruktion übernommen. Ein Umlenkhebel am Hinterachsaufbau eines Fahrzeugs soll auf diese Weise optimiert werden. Am existierenden Bauteil treten bei den vorhandenen Lasten hohe Durchbiegungen auf, die durch eine Neukonstruktion vermieden werden sollen. Ziel der Topologieoptimierung ist es, ein Design zu finden, das dieselbe Masse hat wie das Originalbauteil, aber eine höhere Steifigkeit aufweist.

Im ersten Schritt wird ein Finite Elemente Modell des maximal zur Verfügung stehenden Bauraums aufgebaut. In der NX5-Umgebung wird hierfür das relevante Bauteil extrahiert, und alle bereits vorhandenen Löcher und Aussparungen, die nicht für die Anbindung an andere Bauteile notwendig sind, werden mit Material aufgefüllt. Zusätzlich wird das Bauraummodell unter Berücksichtigung der benachbarten Bauteile aufgedickt. Das Geometriemodell des Bauraums wird nun vernetzt und sämtliche Lastfälle, die für die Topologieoptimierung berücksichtigt werden müssen, werden an dem FE-Modell des Bauraums definiert.

Nach der Fertigstellung des Bauraummodells kann die Optimierungsaufgabe für Tosca Structure definiert werden. Als Zielfunktion werden hier die Maximierung der Steifigkeit und als Nebenbedingung das Volumen des Originalbauteils definiert. Dies ermöglicht die Ermittlung eines den Anforderungen gerechten Designentwurfs, der bei gleichem Materialeinsatz eine maximale Steifigkeit aufweist.

Zusätzlich zur Formulierung der Optimierungsaufgabe müssen aber auch fertigungsbedingte Restriktionen berücksichtigt werden. Zum einen dürfen sich bestimmte Bohrungen im Bauteil im Laufe der Optimierung auf keinen Fall verändern, da sie zur Anbindung benachbarter Systemkomponenten benötigt werden. Diese Bereiche können durch eine sogenannte „Frozen“-Restriktion eingefroren werden und ändern sich somit nicht. Zum anderen handelt es sich bei dem Umlenkhebel um ein Gussbauteil, welches fertigungsbedingt keine Hinterschnitte und Hohlräume enthalten darf. Diese Anforderung wird durch die Aktivierung einer Gussrestriktion berücksichtigt, bei der zu jedem Zeitpunkt im Optimierungsprozess die Gießbarkeit überprüft wird. Für den Umlenkhebel wird eine Entformungsrichtung in positiver und negativer x-Richtung des globalen Koordinatensystems definiert, wobei sich eine beliebige Teilungsebene im Optimierungsprozess einstellen kann.

Während der Topologieoptimierung übernimmt Tosca Structure die Steuerung des FEM-Solvers. In jedem Design-Zyklus werden der Elastizitätsmodul modifiziert und eine Validierung über den NX.Nastran-Solver vorgenommen. So ergeben sich harte Bereiche, die zum Steifigkeitsverhalten der Gesamtstruktur beitragen und weiche Bereiche, die keinen Beitrag zur Struktursteifigkeit mehr haben und aus dem Bauraummodell entfernt werden können. Nach 15 Design-Zyklen ergibt sich eine Struktur, die den formulierten Zielkriterien entspricht.

Basierend auf der optimierten Struktur wird direkt eine ergebnisbasierte Glättung mit „Tosca Structure.smooth“ angeschlossen, um einen glatten Designvorschlag zu erzeugen, der dann in eine neue CAD-Konstruktion überführt werden kann.

Ein bedeutender Punkt bei der Topologieoptimierung ist die Rückführung der Optimierungsergebnisse in einen neuen Geometrieentwurf als Grundlage für eine Neukonstruktion. Die geglätteten Ergebnisse aus der Optimierung werden zuerst datenreduziert, um akzeptable Importzeiten in die NX-Umgebung zu gewährleisten. Für das Einlesen wird das STL-Format verwendet, um den Import der triangulisierten Oberflächen zu ermöglichen. Aufbauend auf diesem Entwurf wird dann eine schrittweise Neukonstruktion durchgeführt.

Am Fallbeispiel sieht man, wie im ersten Schritt der Rückführung in NX – aufbauend auf dem Designvorschlag der Topologieoptimierung – die grundlegenden Bauteilstrukturen und das Rippenlayout übernommen werden. Diese Struktur wird mit geometrischen Primitiven abgebildet, die im nächsten Konstruk- tionsschritt verbunden werden. Hierbei werden die Flächen zusammengefasst und die Bauteil- oberflächen angepasst. Im letzten Schritt werden die Feinheiten ausgearbeitet: Abrundungen und Entformungsschrägen werden im Detail modelliert und alle Durchbrüche und Bohrungen wieder aus dem Originalbauteil übernommen.

Aus dem optimierten und nachkonstruierten Designvorschlag wird nun ein neues FE-Modell aufgebaut, mit dem eine Validierungsrechnung durchgeführt wird, deren Ergebnisse mit dem Ausgangsbauteil vergleichbar sind. Der neue Designentwurf weist eine deutlich höhere Steifigkeit auf, was sich in einer geringeren Durchbiegung des Bauteils auswirkt. Gleichzeitig konnten die Beanspruchungsspitzen durch die Neukonstruktion reduziert werden.

FE-Design;

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