(openPR) In der Pressemitteilungsreihe "Produktkosten senken durch CAE-Simulationen" gehen wir nunmehr auf die Auslegung eines Lagerdeckels unter Verwendung der Topologieoptimierung ein.
Die Topologieoptimierung ist eine Methode im Entwicklungsprozess das optimale Bauteil zu entwerfen, wobei Verformungs- und Gewichtsrestriktionen zu beachten sind.
Optimierungen werden derzeit immer noch vorwiegend auf Basis von Erfahrungswerten und Intuition des Entwicklungsingenieurs durchgeführt, was oftmals zu Produkten führt, bei denen das Potential der eingesetzten Materialien nicht vollumfassend genutzt wird.
Heutzutage lässt sich jedoch mittels numerischer Optimierungsverfahren ein optimales Produktdesign entwerfen. Das hierbei genutzte Verfahren zur Findung der besten Materialeffizienz ist die Topologieoptimierung.
Die Topologieoptimierung beinhaltet, eine zur Verfügung stehende Materialmenge innerhalb eines festgelegten Raums (Bau- oder Designraum) so zu verteilen, dass eine bestimmte Zielfunktion ihr Optimum erreicht.
Mögliche Zielfunktionen sind die Minimierung des Gewichts, die Minimierung der Nachgiebigkeit respektive Verformung des Bauteils und/oder die Minimierung von Spannungen im Bauteil.
Die Topologieoptimierung erfolgt nach folgender Vorgehensweise: Der Konstrukteur muss sich zunächst Gedanken über den maximal zur Verfügung stehenden Produktbauraum und über die Modellrandbedingungen (Lastfall, Einspannungen und Kontaktbedingungen) machen.
Diese Daten werden in ein FE-Modell (FE = Finite Elemente) des Bauraumes umgesetzt. Die Topologieoptimierung dient im Wesentlichen der Reduzierung des Volumens des Bauteils, wobei seine Steifigkeit sich nicht vermindern oder sogar verbessern soll. Die Maximierung der Steifigkeit ist äquivalent mit der Minimierung der gesamten Dehnungsenergie im Bauteil.
Bei einer Topologieoptimierung wird Material aus dem zu optimierenden Modell an einer Stelle entfernt und an anderer Stelle auch hinzugefügt. Dies erfolgt über die Änderung der Steifigkeit (Dichtefunktion) der finiten Elemente, so dass man die Dichte des Finiten Elementes als Designvariable betrachten kann.
Elemente die eliminiert werden müssen, haben die Steifigkeit respektive Dichte Null. Tragende Elemente haben die maximale, materialabhängige Steifigkeit und Dichte.
Während des Laufs einer Topologieoptimierung wird die Steifigkeit der Elemente so lange automatisch verändert, bis die Restriktionen (beispielsweise Verformungsgrenzen) und das Optimierungsziel (z.B. die Minimierung des Materialeinsatzes) erfüllt sind.
Das Ergebnis der Topologieoptimierung ist eine nicht stetige Beschreibung der Bauteiloberfläche und muss daher insbesondere bei komplexen Bauräumen interpretiert werden. Die Erfahrung dazu liegt bei MORPHOTEC aufgrund einer Vielzahl von in diesem Bereich durchgeführten Projekten vor.
Der Topologieoptimierung kann eine automatische Formoptimierung (finale Radienoptimierung) nachgeschaltet werden, die dafür sorgt, dass die Spannungen in Radien/Verrundungen noch etwas weiter verringert werden.
Das dieser Pressemitteilung angehängte Bild zeigt die Optimierung eines Lagerdeckels, der insbesondere die aus dem Verbrennungsdruck resultierenden Lagerkräfte in einem PKW-Motor aufnehmen muss. Aufgrund der hohen Stückzahlen in der Automobilindustrie ist hier selbstverständlich ein optimaler respektive minimaler Materialeinsatz gefragt. Das Bild stellt die von Mises Spannungen der topologieoptimierten Konstruktion (symmetrischer Anteil) dar. Das optimale Design des Lagerdeckels genügt den Anforderungen nach minimalem Einsatz bei unkritischen Spannungen und Verformungen des Lagerdeckels in vollem Umfang. Die Materialeinsparung beträgt 14,2 %.
