Bionik in der Strukturoptimierung: Bauteilgestaltung nach dem Vorbild der Natur

Transkript

1 Effizienz Forum Wirtschaft 2019 Wissen. Was praktisch zählt. : Bauteilgestaltung nach dem Vorbild der Natur Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau

2 Gliederung 1. Bionik 2. Was kann man von der Natur lernen? 3. Strukturoptimierung 1. Topologieoptimierung 2. Formoptimierung 3. Strukturoptimierung im PEP 4. Literatur 5. Fazit 2

3 1. Warum Bionik? Entwicklung der Natur durch Evolution seit ca. 2 Milliarden Jahren Demonstration erfolgreicher Konzepte ein neutraler Vermittler Ziel ökonomisch und nicht technisch optimale Lösung 3

4 direktes kopieren oft nicht sinnvoll z.b. favorisierte Formen a) h H b B H/B=0,6 h/b=0,6 b) d l l/d=1,7 D L L/D=3,1 A. Sauer: 4

5 Bionik Biologie & Technik Allgemeine Definiton: Technische Probleme mit Hilfe der Natur lösen. VDI-Richtlinie 6220: Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnenen werden, technische Fragestellungen zu lösen. 5

6 Gliederung 1. Bionik 2. Was kann man von der Natur lernen? 3. Strukturoptimierung 1. Topologieoptimierung 2. Formoptimierung 3. Strukturoptimierung im PEP 4. Literatur 5. Fazit 6

7 Was kann man von der Natur lernen Mechanismus der Evolution Optimierungsverfahren in der Natur = Adaptivität Ergebnisse der Evolution = Funktionen Z.B.: verbinden, reinigen, schärfen,... 7

8 Funktionen: Screening in der Natur Sammlung Clusterung Vorauswahl 8

9 Funktionen Bsp.: Klettverschluss Lotuseffekt selbstreinigende Oberflächen Erb, Biokon Rodentics: selbstschärfende Messer nach dem Vorbild von Wühlmäusezähnen Buckelwalflossen Lotusan 9

10 Was kann man von der Natur lernen Mechanismus der Evolution Optimierungsverfahren in der Natur = Adaptivität Ergebnisse der Evolution = Funktionen Z.B.: verbinden, reinigen, schärfen,... 10

11 Mechanismus der Evolution Evolutionären Algorithmen, z.b. die Evolutions-Strategie (µ, λ)-es µ = 1 λ = 6 Evolution Strategy with more than one offspring I. Rechenberg 11

12 Evolutionsstrategie I. Rechenberg 12

13 Evolutionsstrategie A. Sauer: (Kapitel 6) 13

14 Was kann man von der Natur lernen Mechanismus der Evolution Optimierungsverfahren in der Natur = Adaptivität Ergebnisse der Evolution = Funktionen Z.B.: verbinden, reinigen, schärfen 14

15 Optimierung und Adaption Ziel technischer Tools ist oft das physikalische Optimum ein biologischer Organismus muss zum Überleben nicht physikalisch optimal sein, sondern besser als der Mitbewerber!!! Optimierung und Leichtbau MUSS nicht teuer sein, sondern kann sogar Geld sparen!!! 15

16 Kostenstruktur im verarbeitenden Gewerbe Kostensteuern 3% Lohnarbeiten 2% Zinsen 1% Handelsware 11% AfA, Miete usw. 15% Gewinn 4% Material 45% Material Energie Personal Handelsware Lohnarbeiten Kostensteuern Zinsen AfA, Miete usw. Gewinn Personal 17% Energie 2% Statistisches Bundesamt

17 Zusammenhang Gewicht zu Kosten pro eingespartem kg 5000 /kg Raumfahrt 500 /kg Luftfahrt 7 /kg KFZ 15 /kg e-kfz X /kg Hobbybereich Nach Klein: Leichtbaukonstruktion 17

18 18

19 A. Sauer 19

20 Optimierungs-Werkzeuge Computer-Tool implementierte Tools App Ingenieurs-Know-How J. Sauer 20

21 3. Strukturoptimierung 21

22 Welche Merkmale beschreiben einen Gegenstand? Design- oder Bauraum F - Frozen Area, - passive material - verbotener Bereich - void material - restricted area Ausgangsdesign Optimierung Designvorschlag Bauweise Konzept Material Stahl Verbundwerkstoff Topologie Form Sizing/ Dimensionierung A. Sauer: 22

23 3. Strukturoptimierung 3.1 Topologieoptimierung 23

24 SKO-Methode (Soft Kill Option) Erstellung eines FE-Modells mit den maximal zu Verfügung stehenden Grenzabmaßen: Bauraum FEM-Lauf mit konstantem E-Modul zur Ermittlung der lokalen Spannungszustände σ Lokale Modifikation des E-Moduls E=f(σ) FEM-Lauf mit modifiziertem E-Modul zur Ermittlung der neuen lokalen Spannungszustände σ nein Scharfe Trennung zwischen E min und E max ja Designvorschlag A. Sauer: 24

25 Kommerzielle Tools z.b. Altair-Inspire 25

26 Bsp: TopOpt-App A. Sauer: 26

27 i.d.r. keine Ein-Klick -Lösungen A. Sauer: 27

28 Verständnis der Designvorschläge 8tung: Knickabfrage nicht vergessen!!! C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 28

29 KKM (Kraft-Kegel-Methode) C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 29

30 KKM a) b) c) d) e) f) C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 30

31 KKM 31

32 3 Strukturoptimierung 3.2 Formoptimierung 32

33 3.2 Vorbild Baum Baumwachstum Iterationszyklus Formänderung FEA Baum strebt im Mittel eine homogene Spannungsverteilung an C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 33

34 3.2.1 Computertools: Bsp CAO A. Sauer: 34

35 Zugrichtung ZDE Zug-Dreieck-Methode C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 35

36 ZDE (zweiachsig) d) Kerböffnungswinkel > 90 e) Kerböffnungswinkel < a b A. Sauer: 36

37 ZDE (unsymmetrisch) A. Sauer: 37

38 3.2.3 Selbstoptimierung Kerben optimieren sich bei Belastung C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile 38

39 3 Strukturoptimierung 3.4 im PEP 39

40 Strukturoptimierung im PEP 1. Klären und präzisieren der Aufgabenstellung 2. Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen 3. Suchen nach Lösungsprinzipien 4. Gliedern in realisierbare Teilmodule 5. Gestalten der maßgeblichen Module 6. Gestalten des gesamten Produktes 7. Ausarbeiten der Ausführugsund Nutzungsangaben Bauweise Materialoptimierung Topologieoptimierung Formoptimierung Dimensionierung A. Sauer: 40

41 Vorgehen I: Topologie- und anschließende Formoptimierung A) Topologieoptimierung als globale Verfahren liefert treppenförmige -Strukturen B) lokale Bereiche, besonders Kerben, werden mit der Formoptimierung bestimmt. 41

42 Vorgehen II: ELiSE C. Hamm: 42

43 Vorgehen III: Topologieoptimierung PLUS Bioscreening Biologie als Interpretationshilfe der Designvorschläge der Topologie-Optimierung z.b. Designvorschlag -> Bioscreening Druckstütze -> Bambus, Schachtelhalm,... Netzartige Strukturen -> Diatomeen, Adern Verzweigungen -> Blattnervatur, Stamm-Ast-Zweige 43

44 Bionik in Entwicklungsprozesse integrieren H. Beismann: 44

45 4. Literatur A. Sauer: Praxishandbuch für ressourceneffizienten Leichtbau, Vogel-Fachbuchverlag, 2018 C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile, KIT, 2017 DIN ISO Bionik Terminologie, Konzepte und Methodik VDI 6220 Blatt 1 Bionik Konzeption und Strategie VDI 6221 Blatt 1 Bionik Funktionale bionische Oberflächen VDI 6222 Blatt 1 Bionik Bionische Roboter VDI 6223 Blatt 1 Bionik Bionische Materialien, Strukturen und Bauteile VDI 6224 Blatt 3 Bionik Bionische Strukturoptimierung im Rahmen eines ganzheitlichen Produktentstehungsprozesses DIN ISO Bionik Bionische Strukturoptimierung (CAO, SKO, CAIO, Zugdreiecke) VDI 6224 Blatt 1 Bionische Optimierung Evolutionäre Algorithmen in der Anwendung VDI 6225 Blatt 1 Bionik Bionische Informationsverarbeitung VDI 6226 Blatt 1 Bionik Architektur, Bauingenieurwesen, Industriedesign. 45

46 5. Fazit Vorteile der Natur mit Hilfe der Bionik nutzen Senken der Materialkosten durch Strukturoptimierung Oft good enough Lösung sind meist ausreichend, aber günstiger 46

47 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau Münsterstrasse Bocholt Tel.: / Fax: / alexander.sauer@w-hs.de Raum C