LEICHTER & EFFIZIENTER – WIE SIMULATIONSBASIERTE OPTIMIERUNG DEN KONSTRUKTEUR UNTERSTÜTZT
„Simulation driven design“ – dieser Slogan ist heutzutage zwar in aller Munde, in der Praxis beschränkt sich die Rolle der Simulation jedoch nicht selten allein auf das Nachprüfen bereits ermittelter Ergebnisse. Somit rückt derzeit die Simulation sehr weit ans Ende des Produktentwicklungsprozesses und erhebliches Potential wird verschenkt. Bauteile werden stark überdimensioniert, Gewicht und Materialkosten nicht so reduziert, wie es möglich wäre.
Moderne simulationsbasierte Optimierungsmethoden geben dem Konstrukteur bereits in der Entwurfs- und Konzeptphase voroptimierte Designvorschläge, die hinsichtlich der Materialausnutzung über das Gesamtbauteil betrachtet wesentlich näher an die zulässigen Grenzen kommen. Dies ist keineswegs mit einer lokal höheren Kerbspannung (Konzentration von Spannungen verursacht durch Kraftumlenkungen) verbunden. Im Gegenteil, das eingesetzte Material wird in seiner Gesamtheit homogener und somit besser ausgenutzt. Dies führt insgesamt zu einer deutlichen Materialeinsparung und zu stabilen Leichtbaukonstruktionen.
„Neben Anfragen aus der Industrie und Forschung, unterstützen wir die Entwicklungsarbeiten bereits in der Findungsphase. Dank der virtuellen Produktentwicklung und numerischen Simulation können so Entwicklungszeiten bei optimierter und strömungstechnisch verbesserter Leichtbauweise verkürzt werden“, berichtet Dr. Jürgen Sauter, Geschäftsführer FE-Design GmbH. „In den letzten Jahren haben wir uns vermehrt bei der technologie- und materialoffenen Designgestaltung im Bereich der erneuerbaren Energien etablieren können. Hilfreich dabei ist auch der gemeinsam mit dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie und dem Projektträger für Produktion und Fertigungstechnologien gegründeten Industriearbeitskreis mit dem Thema „Strukturoptimierung“, fügt Sauter an.
Die zugrunde liegende Methode nennt sich „Topologieoptimierung“, d.h. die Optimierung der Materialverteilung in einem vorgegebenen Bauraum. Mittlerweile sind sowohl die Softwarehandhabung als auch die Möglichkeiten zum Einführen von herstellbedingten Eigenschaften (wie z.B. eine Entformbarkeit für Guss- oder Schmiedebauteile) sowie die Datenübernahme ins CAD-System soweit fortgeschritten, dass die Qualität der auf diese Weise ermittelten Designvorschläge sehr gut ist.
Am Ende des Optimierungsprozesses, der noch vor der ersten Detailkonstruktion stattfinden kann, ist es die Aufgabe des Konstrukteurs, den hinsichtlich des Gewichts oder anderen Kriterien voroptimierten Designvorschlag in ein auskonstruiertes, fertigungsgerechtes Bauteil zu überführen.
Die Optimierungsergebnisse sind hinsichtlich des Gewichts deutlich besser als konventionell generierte Bauteilgeometrien, die z.B. auf Basis von Ähnlichkeitskonstruktionen erzeugt werden. Insgesamt wird der Entwicklungszyklus von Bauteilen deutlich verkürzt, weil bereits der erste Designvorschlag aus der Topologieoptimierung alle maßgeblichen Anforderungen erfüllt.
Anwendungsbereiche:
Simulationsbasierte Optimierungsmethoden sind in ihren Anwendungsfeldern sehr vielschichtig und werden in den unterschiedlichsten Branchen vom Automobilbau über die Zulieferindustrie, die Nutzfahrzeugtechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Windenergie, den Maschinenbau, die Medizintechnik, den Konsumerbereich bis zur Verfahrenstechnik eingesetzt. Die Bauteilgröße reicht dabei von Mikrostrukturen bis zu tonnenschweren Gusskonstruktionen. Verwendete Materialien sind Stahl, Guss, Aluminium, Kunststoffe oder Elastomere. Neben der Optimierung auf Gewicht und Steifigkeit sind im Strukturbereich auch dynamische und akustische Eigenschaften von Relevanz. Bei flüssigen und gasförmigen Medien sind Druckverluste, Wärmeübergänge, Geräusche und Schmutzablagerung wichtige Produkteigenschaften, welche durch eine simulationsgetriebene Optimierung verbessert werden können. Die nachfolgenden Bilder zeigen einen Ausschnitt aus erfolgreich abgeschlossenen Projekten, in denen FE-DESIGN seinen Kunden helfen konnte, schneller und kostengünstiger bessere Produkte zu entwickeln.
Windkraftanlagen
Immer höher und größer, aber gleichzeitig immer leichter und steifer – die Anforderungen an leistungsstarke, moderne Windenergieanlagen sind sehr vielschichtig. FE-DESIGN hilft vielen nationalen und internationalen Windanlagenproduzenten und seinen Zulieferern diese Herausforderungen zu bewältigen und neue Anlagen der 5-7 MW Klasse zu entwickeln.
Abb.1: Optimierung eines Maschinenträgers für Windenergieanlagen
Die Maschinenträger, die Naben, die Getriebe, die Rotorblätter und viele andere Bauteile sollen kostengünstig produzierbar sein und außerdem eine lange Lebensdauer und eine hohe Belastbarkeit aufweisen.
Motorenbau
Abb. 2: Optimierung des Druckabfalls einer Ladeluftleitung-© with courtesy of Adam Opel GmbH
FE-DESIGN hilft die Umwelt zu entlasten. Im Motorenbau gilt es eine Vielzahl oft konträrer Zielsetzungen zu verwirklichen. Gefordert sind eine hohe Motorleistung bei geringem Kraftstoffverbrauch – unter Berücksichtigung strenger Emissionsgrenzwerte. Das Beispiel zeigt die strömungsbasierte Topologieoptimierung einer Ladeluftleitung mit dem Ziel, durch einen möglichst geringen Druckabfall eine hohe Leistung sicherzustellen. Aufgrund geometrischer Restriktionen war der Bauraum fest vorgegeben. Mit speziellen Technologien von FE-DESIGN wurde ein modifizierter Designvorschlag ermittelt, der eine Reduktion des Druckabfalls um 20% bewirkt und dabei das Volumen um lediglich 3% verändert.
Medizintechnik Hörgeräteakustik
Abb.3: Optimierung des akustischen Übertragungsverhalten in Hörgeräten
Eine optimale Weiterleitung und Verarbeitung möglichst authentischer akustischer Signale, die Vermeidung von unerwünschten Nebengeräuschen und Rückkopplungen sind neben einer verbesserten Hörleistung insbesondere im Hochfrequenz-Bereich wichtige Eigenschaften, die bei der Entwicklung von Hörgeräten zu berücksichtigen sind.
FE-DESIGN konnte dabei helfen, das akustische Übertragungsverhalten deutlich zu verbessern. Durch eine Topologie optimierung des Klangkörpers konnte der Schalldruck, der sowohl durch die Aufnahme von Außengeräuschen sowie durch Nebengeräusche (Schwingungen, die vom Empfänger ausgehen) auf die Mikrophone entsteht, erheblich reduziert werden. Die Klangreinheit wurde um ein Vielfaches optimiert.
Automobilindustrie – Antriebstrang
FE-DESIGN unterstützt nicht nur die großen Automobilbauer wie z.B. Volkswagen, Audi, Daimler, BMW, Ford, MAN oder Toyota, sondern auch verschiedene Rennteams aus der Formel 1 sowie universitäre Rennteams. Jährlich nehmen 270 universitäre Teams am Konstruktionswettbewerb „Formula Student / Formula SAE“ teil. Hier zählen neben der Leistung ganz erheblich auch Gewicht und Verbrauchseffizienz. Durch den Einsatz von simulationsbasierten Optimierungsmethoden (Topologie- und Gestaltoptimierung) wurde das Team des Karlsruher Institute of Technology (KIT) bei der Konstruktion von Bauteilen für ihren „Monocoque KIT09“ unterstützt. Das entwickelte Antriebsstrangelement musste bei geringstmöglichem Gewicht maximale Leistung übertragen und gleichzeitig schnell und einfach herstellbar sein.
Abb. 4: Entwicklung und Optimierung eines Antriebstrangs im Monocoque KIT09 © with courtesy of KaRacing e.V
FE-DESIGN auf der euroLite 2010
Besuchen Sie uns auf der euroLite vom 08.06. – 10.06.2010 in Nürnberg (Forum).
Wir stellen Ihnen ausgereifte Lösungen und Services aus den Bereichen Simulation, Optimierung und Automatisierung vor die Sie dabei unterstützen, wettbewerbsfähige Produkte noch effizienter und ressourcenschonender zu entwickeln.
Im Rahmen eines Fachvortrages am 08.06.2010 präsentieren wir Ihnen erprobte Methoden, mit denen sich Leichtbaukonstruktionen innerhalb kürzester Zeitintervalle entwickeln lassen.
http://www.hundkmesse.de/fileadmin/euroLITE/2010/Kongressprogramm_2010.pdf
Über FE-DESIGN GmbH
FE-DESIGN ist weltweit führender Partner für Dienstleistungen und Software im Bereich der Simulation, Automatisierung und Optimierung. Mit zukunftsweisenden Lösungen unterstützt FE-DESIGN seine Kunden, in den unterschiedlichsten Industriebereichen einen entscheidenden Wettbewerbsvorsprung zu erzielen.
FE-DESIGN hat seinen Firmensitz in Karlsruhe sowie weitere Standorte in Europa und ist durch autorisierte Vertriebspartner in Asien, Südamerika und in den USA international vertreten.
Ein Team von erfahrenen Spezialisten stellt Ihnen professionelle Dienstleistungen und ausgereifte Softwarelösungen zur Verfügung, um alle Phasen der Produktentwicklung optimal zu gestalten.
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