Leichtbau im Automobil mit Hilfe von Bionik- Simulation Gewichtsreduktion von Fahrzeugkomponenten aus Guss mittels Struktur- und Parameteroptimierung

Transkript

1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Schlussbericht 22. Dezember 2010 Leichtbau im Automobil mit Hilfe von Bionik- Simulation Gewichtsreduktion von Fahrzeugkomponenten aus Guss mittels Struktur- und Parameteroptimierung

2 Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Verkehr CH-3003 Bern Auftragnehmer: Georg Fischer Automotive AG Amsler-Laffon-Strasse 9 CH-8201 Schaffhausen Autoren: Guido Rau, GF Automotive, guido.rau@georgfischer.com Roman Brauner, GF Automotive, roman.brauner@georgfischer.com BFE-Bereichsleiter: Martin Pulfer BFE-Programmleiter: Martin Pulfer BFE-Vertrags- und Projektnummer: Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich. 2/8

3 Inhaltsverzeichnis Abstract 1. Programmschwerpunkte und Ziele 1.1 Primär- und Sekundär Effekte des Leichtbaus 2. Durchgeführte Arbeiten und erreichte Ergebnisse Parameterfreie Optimierungswerkzeuge 2.2 Shapeoptimierung 2.3 Parameteroptimierung 3. Zusammenfassung und Ausblick 3/8

4 Abstract Die Gewichtsreduktion von Fahrzeugkomponenten in Guss war auch im Jahr 2010 das treibende Thema für das Forschungsprojekt Leichtbau im Automobil mit Hilfe von Bionik- Simulation. Nach wie vor zeigen sich in den Lastenheften der Entwicklungsprojekte wachsende Ansprüche in Richtung Steifigkeit und Festigkeit. Gleichzeitig sinken jedoch die Zielgewichte der Komponenten. Dieser Zielkonflikt kann mittels der Bionik zumindest entschärft und die generelle Machbarkeit in einer frühen Phase geprüft werden. Nachdem in 2009 diverse neue Verfahren erprobt und validiert wurden, war es das Ziel diese Methodik nachhaltig in Projekten weiter zu entwickeln und für das Tagesgeschäft der Entwicklung sinnvoll anwendbar zu machen. Es zeigt sich, dass die verschiedenen Ansätze spezialisiert auf bestimmte Problemstellungen angewendet werden müssen. Ein einzelnes Standardprogramm für alle Aufgaben wird nie zielführend sein. Es haben sich weiterhin die parameterfreien Optimierungswerkzeuge als nützliches Werkzeug am Beginn der Bauteil-Entwicklung bewährt. Dieses Tool ermöglicht es, die besten Lastpfade in einem vorgegebenen Bauraum zu identifizieren und hilft somit die leichtest-möglichste Struktur für eine Komponente schnell zu finden. Da in dieser Phase der Raum nur sehr grob beschrieben ist und damit die genaue Architektur des Bauteils noch unklar ist, können über das parameterfreie Verfahren sehr einfach und effektiv neue Strukturen gefunden werden. Durch Ausbau der Methodik gelang es, die Parameteroptimierung auch für komplexere CAD Strukturen anzuwenden. Die regler- und sensitivitätsbasierte Topologie- und Shapeoptimierung erlaubt in einer zweiten Phase bereits entwickelte CAD Geometrien weiter zu optimieren. Hierbei können Teilbereiche einer Komponente wie zum Beispiel Hohlbereiche oder Anbindungen im Detail optimiert werden. Somit kann zum Beispiel sehr effektiv die Lebensdauer kerbspannungsbehafteter Bauteile schnell und ohne wesentliches Mehrgewicht erhöht werden. Ist eine vorgegebene Steifigkeit das Ziel, so lässt sich auch dies mit minimalem Zeitaufwand erreichen. Nichtlineare Problemstellungen können nun durch die Strukturoptimierung ebenfalls bearbeitet werden. Auch die Parameteroptimierung ist als dritte Methode ein sehr gutes Werkzeug um bereits bestehende Strukturen zu verbessern. Dabei können bevorzug überschaubare Teilbereiche, welche sich durch eine begrenzte Anzahl von Parametern beschreiben lassen, optimieren. Hieraus können Lösungen gefunden werden, welche sonst mittels der kontinuierlich ablaufenden Strukturoptimierung nicht zu entdecken gewesen wären. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Ergebnis bereits als fertige CAD Geometrie vorliegt. Die Struktur muss also nicht wie bei der Strukturoptimierung nachmodeliert werden. Durch weitere interne Schulungen konnte die bereits erarbeitete Methodik und Herangehensweise an die Mitarbeiter der Abteilung Produktentwicklung weitergegeben werden. Diese wird weiterhin in breiter Anwendung in Entwicklungsprojekten durchgängig eingesetzt und genutzt. 4/8

5 Leichtbau im Automobil mit Hilfe von Bionik-Simulation 1. Programmschwerpunkte und Ziele 1.1 Primär- und Sekundär Effekte des Leichtbaus Neben der Gewichtsreduktion der Einzelkomponenten ist bei der Entwicklung eines Fahrzeugs auch die Gesamtgewichtsbilanz zu berücksichtigen. So führt der Leichtbau an Einzelteilen des Fahrzeuges dazu, dass auch die unterschiedlichen Aggregate wiederum leichter ausgeführt werden können. Eine leichtere Karosserie als Primäreffekt kann mit einen kleineren Motor und kleineren Bremse dieselbe Fahrdynamik erzielen, wie sie ein schwereres Fahrzeug mit stärkerem Motor erreichen würde. Diese verkleinerten Aggregate sind wiederum leichter und führen in der Gesamtbilanz in einem Sekundäreffekt zu einer weiteren Gewichts- und damit C0 2 -Reduktion. In Bild 1 wird dies an einem Fahrzeug der Mittelklasse deutlich. Die ersten vier Generationen haben jeweils im Gewicht deutlich zugelegt. In der fünften Generation ist es durch intensiven Leichtbau gelungen, das Fahrzeug trotz Zunahme von Performance und Ausstattung mit demselben Gesamtgewicht wie das Vorgängermodell zu realisieren. Bild 1: Gewichtsentwicklung am PKW (Quelle: VW) Für die Automobil-Hersteller und insbesondere die Zulieferer bedeutet dies, dass auf diesem Gebiet neue innovative Ideen in Zukunft noch mehr als bisher gefragt sein werden. Unorthodoxe Leichtbaulösungen gefunden durch die Bionik Philosophie können somit zum Schlüssel für die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens werden. Aus diesem Blickwinkel erhalten Umweltschutz und wirtschaftliche Interessen der Industrie in diesem Punkt eine gemeinsame Motivation. 5/8

6 2. Durchgeführte Arbeiten und erreichte Ergebnisse 2010 Die im vergangenen Jahr erarbeiteten Ergebnisse wurden in unterschiedlichen Teilprojekten im Jahr 2010 im Rahmen des Projektes weiter ausgebaut. Es wurden die bisher aufgebauten Erkenntnisse in den Bereichen der parameterfreien Topologie- und Shapeoptimierung sowie der Parameteroptimierung auf sämtliche Produktgruppen ausgeweitet. Hierbei wurde insbesondere für Fahrwerksbauteile in Eisen- und Leichtmetallguss (wie z.b. Schwenklager, Radträger, Querlenker) ein mehrstufiger Optimierungsablauf entwickelt und in den Produktentwicklungsprozess als Standard etabliert. Ausgehend von einer groben Bauraumgeometrie durchlaufen die Komponenten in der Regel mehrere Optimierungsschlaufen bis das endgültige Design feststeht. Die parameterfreien Optimierungsmethoden der Topologie- und Gestaltoptimierung simulieren die biologische Designfindung und ermöglichen die Entwicklung von leichteren Gussteilen durch Bionik-Design. Mit Hilfe der automatisch ablaufenden Parameteroptimierung können direkt CAD-Parameter im CAD-Modell (Skizzen und/oder Konstruktionselemente) innerhalb vorgegebener Grenzen verändert werden. So werden z.b. Positionen von Bohrungen, Durchbrüchen oder Kernmarken und lokale Geometriedetails direkt am CAD-Modell optimiert und automatisiert erzeugte Varianten können miteinander verglichen und das Optimum entsprechend ausgewählt werden. Bild 2: Entwicklungsbeispiele 2010 (Quelle: GF Automotive) Die Tätigkeiten in 2010 und die dabei angewandten Optimierungsverfahren werden im Folgenden anhand von Beispielen bzw. bearbeiteten Projekten näher erläutert. 2.1 Parameterfreie Optimierungswerkzeuge Bei dieser Werkzeuggruppe wird zunächst aus dem zu Verfügung stehendem Bauraum ein FEM-Modell aufgebaut. Essentiell ist dabei, sämtliche relevante Belastungen und Randbedingungen so realistisch wie möglich zu simulieren. Mit Hilfe der Topologieoptimierung werden nun die nichttragenden Bereiche der Bauraumstruktur beseitigt, welche nur unnötigen Ballast darstellen. In einem iterativen Prozess werden anschliessend mehrere Leichtbaudesignvorschläge berechnet. Diese dürfen zunächst noch lokale Kerbspannungen aufweisen, zeigen aber bereits die besten Lastpfade für das zu entwickelnde Bauteil auf. Die sensitivitätsbasierten Topologieoptimierungsläufe liefern Erkenntnisse darüber wie viel Material notwendig ist, damit das Bauteil die geforderten Steifigkeitsvorgaben erfüllt. Bei reglerbasierten Optimierungsläufen können sämtliche Betriebslastfälle berücksichtigt werden. Hierbei wird die globale Struktursteifigkeit maximiert. Die Optimierung läuft so lange, bis die eingestellte Volumennebenbedingung also das gewünschte Zielvolumen - erreicht ist. Die Optimierungsresultate werden anschliessend analysiert und in einer CAD-Geometrie umgesetzt. Diese wird anschliessend mit Hilfe der FEM berechnet. Bei Bedarf werden 6/8

7 weitere Optimierungsläufe mit der neuen CAD-Geometrie durchgeführt und die geometrischen Details schrittweise verfeinert bis das endgültige Design feststeht. Die Weiterentwicklung erlaubt es nun, auch den Einfluss verfahrenstechnischer Randbedingungen auf das Entwicklungsergebnis zu beurteilen. In Bild 3 werden für einen PKW Querlenker verschiedene maximale Wandstärken untersucht. Dieser Vergleich erlaubt eine frühzeitige Entscheidung über das sinnvoll einzusetzende Giessverfahren. Bild 3: Senstivitätsbasierte Topologieoptimierung (Quelle: GF Automotive) 2.2 Shapeoptimierung In einem weiteren Optimierungsschritt kommt die Shapeoptimierung zum Einsatz. Sie dient im Wesentlichen zum Abbau von Kerbspannungsspitzen bzw. zu einer Spannungshomogenisierung über der gesamten Struktur durch simuliertes biologisches Wachstum. Gleichzeitig ist eine weitere Gewichtsreduktion in der Regel bis zu 10% möglich durch Schrumpfen in gering beanspruchten Bereichen. Hierbei werden Oberflächenknoten im Designbereich des FEM-Modells normal zur Oberfläche verschoben. Es entsteht eine optimierte Bauteilgestalt (Shape) mit einer wesentlich besseren Materialauslastung und einer homogeneren Spannungsverteilung, die zum Beispiel im Vergleich zur Ausgangsgeometrie eine höhere Knicklastaufnahme erlaubt. Die Resultate der Shapeoptimierung werden ebenfalls in das CAD-Modell eingearbeitet. Die Optimierungsresultate bzw. CAD-Geometrien können mit einem 3D-Plotter ausgedruckt werden und stellen somit Erkenntnisse über die jeweils gewichtsoptimale und belastungsgerechte Bauteilform als massstabsgetreues Modell zum Anfassen dar. Dieses wird direkt beim Kunden bzw. in der jeweiligen +GF+ Giesserei diskutiert. Fertigungsaspekte wie Giesstechnik und Bearbeitung aber auch ästhetische Faktoren können berücksichtigt und optimiert und somit Konzept- bzw. Designentscheidungen bereits in einer sehr frühen Produktentstehungsphase auf einer breiten Erkenntnisbasis getroffen werden. 7/8

8 2.3 Parameteroptimierung Mit Hilfe der automatisch ablaufenden Parameteroptimierung können direkt CAD-Parameter im CAD-Modell (Skizzen und/oder Konstruktionselemente) innerhalb vorgegebener Grenzen verändert werden. Das CAD-Modell wird mit Hilfe der FEM berechnet und entsprechend optimiert. Wie bei den parameterfreien Methoden können unterschiedliche Zielfunktionen wie z. B. Minimierung der Masse, Minimierung einer globalen oder lokalen Spannung oder Verschiebung definiert und zusätzliche Nebenbedingungen wie Spannungsoder Verschiebungswerte angegeben werden. Der grosse Vorteil der Parameteroptimierung ist, dass direkt ein optimiertes CAD-Modell zur Verfügung steht und das Optimierungsresultat nicht nachträglich wie bei den parameterfreien Verfahren durch einen Konstrukteur umgesetzt werden muss. Als Optimierungswerkzeuge kommen hierbei Optimus in Verbindung mit CATIA sowie NX und NX-Nastran zum Einsatz. So können z.b. Positionen von Bohrungen, Durchbrüchen oder Kernmarken und lokale Geometriedetails optimiert werden. Durch diesen Schritt lassen sich Bauteile spannungstechnisch optimieren, ohne wesentliches Mehrgewicht zu verursachen. Ein robusteres, zuverlässigeres Bauteil ist das Ergebnis. Bild 4: Parametrische Topologieoptimierung (Quelle: GF Automotive) 3. Zusammenfassung und Ausblick Im Forschungsprojekt Leichtbau im Automobil mit Hilfe von Bionik-Simulation konnte eine sehr effiziente Methodik entwickelt werden, um Bauteile bereits früh in der Entwicklungsphase schneller und näher an das Gewichtslimit zu bringen. Diese Kenntnis hilft Antworten auf die wachsenden technischen Anforderungen der Fahrzeughersteller in Richtung Gewichtsreduktion zu finden. Es hat sich gezeigt, dass durch die Bionik leichtere und gleichzeitig auch zuverlässigere Bauteile entstehen. Durch das Herstellverfahren des Giessens lassen sich diese Ansätze durch die Formfreiheit sehr gut in reale Fahrzeugkomponenten umsetzen. Diese leichtere Bauweise ist ein wichtiger Baustein, um den CO 2 Ausstoss von Fahrzeugen signifikant zu reduzieren. In gleichem Masse sind über diese Verfahren gefundene innovative Leichtbaulösungen ein Wettbewerbsvorteil für uns. In naher Zukunft werden beispielsweise zwei wichtige neue Bauteile bei GF Automotive in Serienfertigung gehen, welche massgeblich durch die Bionik leichter und besser als der Wettbewerb gestaltet werden konnten. Dies mag beweissen, dass die neu gewonnenen Erkenntnisse zu konkretem Nutzen führen. Die Methodik der Bionik wird im Entwicklungsablauf heute bereits konsequent und durchgängig angewendet, eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist für die nächsten Jahre geplant. 8/8