Materialeffizienz durch konstruktionsnahen Einsatz von Strukturoptimierungswerkzeugen Rohstoffkosten paroli bieten - AutomobilKONSTRUKTION

Materialeffizienz durch konstruktionsnahen Einsatz von Strukturoptimierungswerkzeugen

Rohstoffkosten paroli bieten

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Die Entwicklung und Produktion von Komponenten für den Fahrzeugbau erfordert es, in allen Bereichen die Effizienz zu steigern. Während die Arbeitsproduktivität seit 1960 auf den 3,5-fachen Wert stieg, blieb die Entwicklung der Materialproduktivität mit einer Steigerung um den Faktor 2 weit dahinter zurück. Mit einem erweiterten Produktentwicklungs- prozess und einer effizienteren, engeren Zusammenarbeit zwischen Konstrukteuren und Berechnungsingenieuren kann dieses Potenzial erschlossen werden.

Autoren: Dr. Jörg Busch, Bernd Wöhrle, Abt. Berechnung bei Voith Turbo GmbH & Co. KG Bus Drive Systems und Felix Heinrich , Vertrieb, FE-Design, Garching

Eine bessere Ausnutzung des Materials ist auch vor dem Hintergrund der deutlich gestiegenen Rohstoffkosten dringend notwendig. Leichtere Komponenten ermöglichen die aus umweltpolitischen Gesichtspunkten notwendigen Energieeinsparungen beim Betrieb von Fahrzeugen. Materialeinsparung führt zur Kostenreduktion, und das erhöht die Umsatzrendite signifikant. Schon bei einer Materialeinsparung von nur 5 % steigt bei üblichen Kalkulationszahlen im Fahrzeugbau die Umsatzrendite um 50 %.
In vielen Fällen überprüft die von der Konstruktion getrennte Simulationsabteilung heute im Wesentlichen die Funktionsfähigkeit der von Konstrukteuren ausgeführten Komponenten. Simulationsbasierte Methoden zur Designfindung und Designverbesserung (Optimierung) unterstützen den Konstrukteur in den verschiedenen Phasen des Produktentwicklungsprozesses optimal. Konstruktion und Simulation rücken näher zusammen.
Designfindung
In der frühen Phase des Entwicklungsprozesses legt die Konstruktion die wesentlichen Parameter wie Aussehen, Kosten der Herstellung oder Funktion einer Komponente fest. Die Herausforderung für Konstruktions- und Berechnungsabteilungen besteht nun darin, unter Berücksichtigung aller Randbedingungen die Bauteile für mehrere Lastsituationen optimal auszuführen. Und das oftmals unter hohem Zeitdruck.
Unter diesen Voraussetzungen nutzen mittlerweile zahlreiche Unternehmen aus allen Industriebereichen das Potenzial der Topologieoptimierung. Auch Voith, führender Spezialist für Antriebstechnik, profitiert bei der Weiterentwicklung seines DIWA Automatgetriebes vom Einsatz der Optimierungssoftware Tosca Structure von FE-Design. Die in diesem Rahmen durchgeführte Gewichtsreduktion eines Planetenträgers zeigt die wesentlichen Erfolgsfaktoren.
Topologieoptimierung
Der effektive Einsatz der Topologieoptimierung beginnt wie in diesem Beispiel schon bei der Festlegung des maximal zur Verfügung stehenden Bauraums. Funktions- und Verbindungsflächen zu angrenzenden Komponenten müssen definiert und als unveränderliche Größen an den Optimierungsprozess übergeben werden. Ein weiterer Aspekt bei der gewichtsminimalen Auslegung der hier dargestellten Getriebekomponente ist die Formulierung der mechanischen Zieleigenschaften. Denn im Vergleich zum alten Serienstand muss die Steifigkeit des Planetenträgers erhalten bleiben, um die Lagerlebensdauer und die gleichmäßige Belastung der Zahnflanken weiterhin sicherzustellen. Diese Anforderungen werden über Verschiebungsrestriktionen direkt bei der Definition des Optimierungsproblems berücksichtigt. Darüber hinaus können bereits hier Anforderungen des Herstellungsverfahrens mit einbezogen und- wie in diesem Beispiel- die Entformbarkeit sichergestellt werden. Der dadurch erhaltene Gestaltvorschlag lässt sich anschließend in ein CAD-System importieren und im Zuge der Rekonstruktion mit wenigen Modifikationen in ein gießgerechtes Bauteil überführen.
Bei dem hier beschriebenen Planetenträger führt die erzielte Gewichtsreduktion von mehr als 30 % zu einer deutlichen Verringerung der Materialkosten. Gleichzeitig kann auch die Zerspanungsmasse um ebenfalls 30 % reduziert werden. Trotz der komplexen Geometrie des neuen Designs gestaltet sich der Fertigungsprozess effizient und damit kostengünstig, da durch die veränderte Form ein weiteres Bauteil in der Gussform Platz hat.
Designverbesserung – Feingestaltung des Designs
In einer späteren Phase des Entwicklungsprozesses, nach der detaillierten Ausarbeitung der Komponente, zeigen sich häufig kritische Bereiche, an denen die Beanspruchung zu hoch ist. Wie bei einer Kette das schwächste Glied zum Versagen führt, so kann auch bei einer insgesamt ausgewogenen Konstruktion eine einzige „Problemstelle“ das gesamte Bauteil zum Versagen führen.
Für die Höhe der möglichen Beanspruchungsreduktion ist es dabei wichtig, dass die vorhandene Geometrie an den belasteten Stellen möglichst frei veränderbar gestaltet wird. Daher ist eine Strategie gefragt, die einerseits zu einer Absenkung der lokalen Spannungsüberhöhungen führt, andererseits an weniger beanspruchten Stellen Material abbaut, um weiter Gewicht einzusparen.
Ein Ansatz, wie er für die parameterfreie Gestaltoptimierung in „Tosca Structure.shape“ implementiert ist, bietet sich hierfür hervorragend an. Bei der Reduktion von lokalen Kerbspannungen oder Schädigungen haben kleine, gezielte und lokale Geometrieänderungen einen sehr großen Einfluss. Durch gezieltes Anlagern oder Wegnehmen von Material erreicht man eine (nahezu) homogene Bauteilbeanspruchung. Wird versucht, die Verbesserung durch eine Wertevariation der zur Verfügung stehenden Geometrieparameter des CAD-Modells zu erreichen, so erzielt man ein vergleichbares Ergebnis nur, wenn die Art und Anordnung der Parameter eine Abbildung des nicht parametrischen Ergebnisses erlauben.
Bei dem vorgestellten Beispiel eines Koppelelementes im Fahrwerk eines Fahrzeuges der Audi AG traten in der Ausgangsgeometrie im Test Brüche auf, die auf eine lokale Spannungskonzentration im Bereich des Radius zurückzuführen sind. Eine einfache Veränderung des CAD Modells, d.h. eine Variation dieses Radius in einem parametrischen CAD-Modell, erreicht bei weitem nicht die Spannungsreduktion wie sie durch die parameterfreie Gestaltoptimierung erreicht werden kann. Tosca Structure.shape ermittelt hier eine optimale Oberflächengestalt, welche der Konstrukteur anschließend in das CAD-Modell zurück überträgt, wobei die frei ermittelte Oberfläche ohne signifikante Erhöhung der auftretenden Spannungen durch drei aneinander gefügte Radien angenähert wird. In verschiedenen CAD-Systemen stehen heute schon Module zur Verfügung, die Parameteranpassungen einer bestehenden Geometrie an eine veränderte Oberflächengeometrie durchführen können. Damit ist eine Übertragung deutlich vereinfacht.
Zur stetigen Weiterentwicklung der Technologie arbeitet FE-Design zusammen mit den Partnern Universität Erlangen, B&W Software und Federal Mogul sowie den assoziierten Partnern Bosch, Opel, Siemens PLM, Dassault Systems und PTC im Rahmen des BMBF geförderten Projekts Shapeopt2cad an der Verbesserung des Rückführungsprozesses vom Optimierungsergebnis in ein parametrisches CAD-Modell.
Zukünftig wird dieser Prozess noch weiter vereinfacht, indem eine unterstützte Anpassung der Parametrisierung auf das parameterfreie Optimierungsergebnis durchgeführt wird.
FE-Design, Tel.: 0721 96467-0, E-Mail: info@fe-design.de
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