Optimierung im Hinblick auf Betriebsfestigkeitseigenschaften am Beispiel von Fahrwerkskomponenten

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1 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 95 Optimierung im Hinblick auf Betriebsfestigkeitseigenschaften am Beispiel von Fahrwerkskomponenten Volker B. Köttgen LMS International, Kaiserslautern Joachim Noack TRW Automotive, Koblenz Michael Hack LMS International, Kaiserslautern Frank Zingsheim LMS International, Kaiserslautern Kurzfassung Betriebsfestigkeit ist eine Produkteigenschaft, die für zyklisch beanspruchte Bauteile von zentraler Bedeutung ist. Fahrzeuge und Maschinen müssen betriebsfest ausgelegt werden. Dazu werden heute je nach Anwendungsbereich experimentelle und/oder numerische Methoden verwendet. Traditionell basiert die numerische Strukturoptimierung auf Analysen der statischen Beanspruchung von Bauteilen oder ihrer Eigenfrequenzen. Im Vorhaben ELAnO wurden Strukturoptimierungsverfahren im Hinblick auf Betriebsfestigkeit erweitert. Der Beitrag diskutiert Verfahren zur numerischen Simulation der Betriebsfestigkeit und deren Interaktion mit Optimierungsverfahren. Dazu werden zunächst die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen Betriebsfestigkeit, Dauerfestigkeit und statischer Festigkeit diskutiert und Verfahren zur numerischen Analyse der Betriebsfestigkeit vorgestellt. Anschließend werden verschiedene Alternativen zur Optimierung der Betriebsfestigkeit von Bauteilen und Systemen untersucht. 1 Betriebsfestigkeit und statische Festigkeit Betriebsfestigkeit und statische Festigkeit sind zwei weitgehend entkoppelte Eigenschaften. Die statische Festigkeit ergibt sich aus dem Widerstand gegen eine einmalige Beanspruchung. Entscheidend sind die maximalen Spannungen oder Dehnungen. Die Betriebsfestigkeit dagegen ergibt sich aus dem Widerstand gegen zyklische (zeitliche veränderliche) Beanspruchungen. Nicht die absolute Höhe der auftretenden Spannungen oder Dehnungen ist entscheidend, sondern die Häufigkeit der auftretenden Spannungs-Dehnungs-Hysteresen und Berücksichtigung der Hysteresen-Schwingbreite und -Mittelspannung. Eine statische Spannungsanalyse kann deshalb keine Aussage über eine ausreichende bzw. nicht ausreichende Betriebsfestigkeit eines Bauteils geben. Selbst der Anrißort kann nur im Ausnahmefall einer proportionalen Belastung (d.h. einer einzigen wechselnden äußeren Last) durch eine statische Spannungsanalyse erkannt werden. Im Regelfall sind Bauteile, die auf Betriebsfestigkeit ausgelegt werden, mehraxial nicht-proportional belastet. D.h. es greifen zwei oder mehr Lastkomponenten an, deren zeitlicher Verlauf nicht proportional ist. In diesen Fall kann nur eine explizite Betriebsfestigkeitsanalyse eine korrekte Aussage über die möglichen Anrißorte machen. Statische Festigkeitsanalysen werden in diesem Fall für jede Einzellast andere Anrißorte vorhersagen, die in dem zeitlichen Verlauf der Last nicht kritisch sein müssen, während durchaus auch andere Orte kritisch werden können, die unter den verschiedenen Einzellasten nie kritisch waren. Abb. 1 zeigt ein entsprechendes Beispiel.

2 96 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen Abbildung 1: Spannungsverteilung in einem Schwenklager in zwei verschiedenen Lastfällen. Da mögliche Anrißorte genau die Stellen sind, an denen die Optimierung der Bauteilgestalt ansetzen muss, ergibt sich zwingend, betriebsfest ausgelegte Bauteile in einer Weise numerisch zu optimieren, die auf die numerische Betriebsfestigkeitsanalyse aufsetzt. 2 Simulationsprozess für Bauteil-Betriebsfestigkeit Die drei zentralen Einflussgrößen für die Betriebsfestigkeit eines Bauteils sind: Schnittlasten, die auf das Bauteil wirken, Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften, und die Bauteilgeometrie. Diese Informationen stellen damit die Eingangsgrößen der numerischen Betriebsfestigkeitsanalyse dar. Die Geometrie wird heute in der Regel noch durch ein Finite Element Netz beschrieben, d.h. nicht direkt aus CAD herausgezogen. Werkstoff- und Oberflächeneigenschaften werden in Werkstoffversuchen an kleinen Proben festgestellt und als Parameterdatensatz in einer Datenbank abgelegt. Alternativ gibt es Abschätzverfahren, mit denen die teuren Werkstoffversuche häufig umgangen werden können. Die Schnittlasten ergeben sich aus Messungen oder numerischen System-Simulationen. Für jede dieser Gruppen von Eingangsdaten haben sich historisch unterschiedliche Formate herausgebildet: z.b. verschiedene Datenformate der Finite Element Berechnungsprogramme oder der Messerfassungssysteme. Das Endergebnis der numerischen Betriebsfestigkeitsanalyse ist die vorhergesagte Lebensdauer (bzw. der inverse Wert: die Schädigung). Diese wird für jeden Knoten oder jedes Element des Bauteils separat berechnet und als Verteilung (Isolinen) auf der Bauteilgeometrie dargestellt. Diese Repräsentation der Ergebnisse ermöglicht damit direkt einen Zugang zu Verfahren der Gestaltoptimierung. Würde nur die Gesamtlebensdauer des Bauteils berechnet, wäre eine Gestaltoptimierung kaum möglich. Spezielle Verfahren existieren zur Analyse von Fügungen, z.b. Naht- und Punktschweißverbindungen. Die Aufgabe der Software für die Betriebsfestigkeitsanalyse ist es, die relevanten Datenformate der Eingangsgrößen zu unterstützen und die verschiedenen Verfahren zur Schadensakkumulation bei Grundmaterial und Fügungen so effizient zu unterstützen, dass die Ergebnisse schnell genug erzielt werden, um manuelle oder automatisierte Optimierungen der Bauteilgestalt zu ermöglichen.

3 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 97 3 Software für Betriebsfestigkeitsanalyse Die Entwicklung von LMS FALANCS hat im Lauf der letzten 10 Jahre genau dieses Ziel verfolgt: abgesicherte Verfahren praxistauglich zu implementieren. Ein spezielles Verfahren zur Beschleunigung des Berechnungsprozesses hat sichergestellt, dass FALANCS deutlich schneller als vergleichbare Programme ist. FALANCS wird von nahezu allen Automobilherstellern eingesetzt, wie auch von vielen Zulieferern, anderen Fahrzeugherstellern und anderen Firmen des Maschinenbaus. Alle gängigen Datenformate werden unterstützt. In den letzten Jahren hat LMS eine neue Plattform für die numerische Analyse des mechanischen Bauteil- und Systemverhaltens entwickelt, die darauf abzielt, höhere Produktivität und geringe Fehleranfälligkeit auch bei anspruchsvollen numerischen Analysen zu erreichen. Diese Plattform heißt LMS Virtual.Lab. LMS FALANCS ist das Betriebsfestigkeitsberechnungsprogramm dieser Plattform. Die graphische Bedienoberfläche und das Automatisierungskonzept von Virtual.Lab ist eine völlig neue Entwicklung, die es Anwendern erstmals erlaubt, komplexe Simulationen zu automatisieren, ohne programmieren zu müssen. Auf der Plattform Virtual.Lab wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsvorhabens ELAnO eine Möglichkeit zur Bauteiloptimierung entwickelt, die im Hintergrund FALANCS und TOSCA [1] verbindet und damit eine nicht-parametrische Gestaltoptimierung im Hinblick auf Betriebsfestigkeit ermöglicht. Parallel ist auf dieser Plattform auch eine parametrische Optimierung möglich, die auf der Technologie von OPTIMUS [2] und des Virtual.Lab Morphers basiert. Mit diesem Verfahren kann der Anwender parameter-gesteuerte Verzerrungen des Finite Element Netzes vornehmen und gezielt einzelne Betriebsfestigkeitsergebnisse in die Optimierung aufnehmen oder ausblenden. Insbesondere können hier auch nicht geometrische Größen beeinflusst werden, etwa ein Regelsystem (z.b. ABS). 4 Beispiel: Bauteiloptimierung Am Elementarbeispiel einer Lochscheibe unter mehraxial nicht-proportionaler Belastung soll in den Abbildungen 2 und 3 der Unterschied zwischen einer statischen Gestaltoptimierung und einer Optimierung im Hinblick auf Betriebsfestigkeit dargestellt werden. Abbildung 2: Ergebnisse der statischen Optimierung (mit TOSCA)

4 98 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen Abbildung 3: Ergebnisse der Betriebsfestigkeits-Optimierung (mit TOSCA) 5 Simulationsprozess für die Betriebsfestigkeit von Subsystemen Wenn die auf das Bauteil einwirkenden Schnittkräfte nur in einem Versuch an Prototypen ermittelt werden können, kann eine numerische Betriebsfestigkeitsanalyse von Bauteilen nur zur Schadensanalyse genutzt werden (reaktiv). Das Ziel jedes modernen Entwicklungsprozesses ist es aber, Schwachstellen der Bauteile und Systeme möglichst früh auszuschließen (proaktiv) und Prototypen möglichst nur zur Validierung der Konstruktion einzusetzen. Dazu dürfen die Schnittkräfte nicht gemessen werden, sondern müssen sich aus der numerischen Simulation selbst ergeben. Betrachtet man zunächst Baugruppen aus mehreren Bauteilen (Subsysteme), dann gilt es, die Bewegung der einzelnen Bauteile zu einander zu simulieren, da diese Bewegung durch Lageänderungen und durch Trägheitskräfte die Schnittkräfte beeinflusst. Das bevorzugte Simulationsverfahren für diesen Vorgang ist die Mehrkörpersimulation, die anders als die meisten Finite Element Verfahren auch große Bewegungen über einen langen Zeitraum hinweg robust abbilden kann. Das einzelne Bauteil wird in diesem Verfahren entweder als Starrkörper abgebildet oder es wird seine statische und dynamische Steifigkeit modal repräsentiert. Für die Betriebsfestigkeitsanalyse ergeben sich daraus zwei unterschiedliche Verfahren. Im Fall der Starrkörper werden die Bauteil-Schnittkräfte aus der Mehrkörpersimulation herausgezogen und in den in Abschnitt 2 beschriebenen Prozess überführt. Da an Bauteilen in Fahrzeugen durchaus 100 verschiedene Schnittkräfte angreifen können, ist dieser Ablauf manuell kaum fehlerfrei zu bewältigen. Für den zweiten Fall, in dem das Bauteil in der Mehrkörpersimulation durch seine Steifigkeit repräsentiert wird, erfordert der numerische Ablauf eine entsprechende Unterstützung direkt innerhalb des Programms zur Betriebsfestigkeitsanalyse. LMS hat diese Abläufe in den letzten 10 Jahren entscheidend mitentwickelt und jetzt in LMS Virtual.Lab so implementiert, dass der Datentransfer zwischen Mehrkörpersimulation und Betriebsfestigkeitsanalyse automatisch und fehlerfrei ablaufen kann. Der Anwender baut dazu ein konventionelles Mehrkörpermodell auf (oder übernimmt ein Basis-Modell aus CATIA V5). In diesem Modell sind zunächst alle Bauteile Starrkörper. Dieses Modell dient auch zur Validierung der Kinematik. Anschließend werden für diejenigen Bauteile, deren Flexibilität und/oder Betriebsfestigkeit berücksichtigt werden sollen, Finite Element Netze über die entsprechenden Starrkörper positioniert. Der restliche Ablauf ist automatisch: die Erzeugung entsprechender Finite Element Analysen und den Datentransfer zur Mehrkörpersimulation und zur Betriebsfestigkeitsanalyse kann Virtual.Lab automatisch durchführen. Für den Anwender ist es leicht möglich, zwischen einer flexiblen Abbildung des Bauteils und einer Abbildung als Starrkörper zu

5 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 99 wechseln. In beiden Fällen ist eine Betriebsfestigkeitsanalyse des Bauteils im gleichen Modell und der gleichen Software-Umgebung möglich. An jede Betriebsfestigkeitsanalyse lässt sich eine Gestaltoptimierung anschließen. Als ein Beispiel wird hier ein (bewusst schlecht konstruiertes) Schwenklager in einem PKW-Fahrwerk untersucht. Die Bauteilgestalt wird hier nicht-parametrisch mit TOSCA optimiert. Die Abbildungen 4 bis 6 zeigen drei typische Phasen als Screenshots von Virtual.Lab. Abbildung 4: Aufbau des Modells zur Mehrkörpersimulation Abbildung 5: Ergebnisse der Betriebsfestigkeitsanalyse ohne Gestaltoptimierung

6 100 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen Abbildung 6: Ergebnisse der Betriebsfestigkeitsanalyse nach Gestaltoptimierung mit TOSCA Für die numerische Vorhersage der Lasten, die auf das Gesamtfahrzeug und damit auf die Subsysteme wirken, stellt Virtual.Lab ebenfalls Werkzeuge zur Verfügung. Damit ist eine vollständige proaktive Betriebsfestigkeitsauslegung möglich. 6 Zusammenfassung Durch die Entwicklung eines gekoppelten Verfahrens aus numerischer Betriebsfestigkeitsanalyse und Strukturoptimierungsverfahren im Rahmen von ELAnO können Anwender von LMS Virtual.Lab nach jeder Betriebsfestigkeitsanalyse unmittelbar eine Gestaltoptimierung aufsetzen. Somit kann eine nicht ausreichende Bauteilfestigkeit häufig mit minimalem Aufwand an Simulationsvorbereitung und minimalen Kosten in der Fertigung korrigiert werden. Dieses Verfahren kann für einzelne Bauteile oder für Baugruppen (Subsysteme) ab sofort eingesetzt werden. Komplexere Optimierungen, z.b. der Lastpfade oder von Regelsystemen, sind durch Virtual.Lab Optimization ebenfalls möglich. Literatur [1] TOSCA, FE-Design GmbH, Karlsruhe, [2] OPTIMUS, Noesis Solutions, Leuven, Belgien,