Dipl.-Ing. Stefan Demmig, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll

Transkript

1 Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct Motivation Aufbau des FEM-Modells Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden Topologieoptimierung von Sax 3 Laminatoptimierung von Sax 3 Zusammenfassung Quelle: Dipl.-Ing. Stefan Demmig, 1

2 Motivation Studentischer Forschungsverein Fortis Saxonia e.v. Jährliche Teilnahme am Shell Eco-Marathon seit 2005 Verbrauchswerte aller Kraftstoffarten auf km/l Superbenzin umgerechnet Rekord von Fortis Saxonia liegt bei 2552 km/l Hervorragendes Ergebnis nur bei Optimierung aller Einflussfaktoren Hoher Wirkungsgrad im Antriebsstrang mit Brennstoffzelle und Elektromotor Niedriger Luft- und Rollwiderstand Geringes Gewicht Material und Gewichtseinsparung auch wirtschaftlich interessant 2

3 Motivation Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der Prototypen-Klasse Quelle: Sax 1: 2005/2006 3

4 Motivation Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der Prototypen-Klasse Quelle: Sax 2:

5 Motivation Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der Prototypen-Klasse Quelle: Sax 3: seit

6 Motivation Aerodynamischer Maßanzug für die Fahrerin CAD-Modell von Sax 3 mit Fahrerin 6

7 Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden Allgemeine Vorgehensweise Topologieoptimierung (Formoptimierung) Freesize -Optimierung Size -Optimierung Optimierung der Stapelungsreihenfolge Festigkeitsnachweis 7

8 Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden Charakteristische Größen der Optimierung Analysemodell des Problems, z.b. FEM-Modell Entwurfsraum (Designspace): Elemente des Balkens Entwurfsvariable (Desvar): Dicke d des Balkens Zielfunktion (Objective): minimiere Masse Zustandsvariable (Response): Masse, Verschiebung u Restriktion (Designconstraint): u max d 8

9 Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle Geradeaus Massen als Belastung unter vertikaler Gravitation Reaktionskräfte an Aufstandspunkten der Räder auf der Straße 3 g e Lastfall zur Erfassung von Stoßbelastungen Kurvenfahrt Vertikale Gravitation + Radialbeschleunigung Definition über Kurvenmittelpunkt und Rotationsgeschwindigkeit bei 30 km/h Geradeaus mit Bremsen Vertikale Gravitation + horizontale Gravitation entsprechend maximaler Bremsverzögerung Ein Lastfall für jede Achse Ungebremste Achse jeweils in Fahrtrichtung frei beweglich

10 Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle Ein- und Aussteigen Aufstützen auf der Seitenwand als Summe von Einzelkräften

11 Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle Ein- und Aussteigen Tritt auf Sitzfläche als Flächenlast

12 Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle Überrollbügeltest Konzentrierte Einzelkraft (750 N) auf Trennwand

13 Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle Gurttest Je ein Lastfall pro Gurt Mindestens 1,5faches Fahrergewicht je Gurt Einzelkräfte für die Tests der Gutbefestigungen

14 Aufbau des FEM-Modells - Geometrie Modellierung der gelenkten Hinterradaufhängung 5 Zug-/Druckstreben mit Kugelgelenken ermöglichen räumliche Bewegung zur Realisierung der Lenkbewegung Geometrieänderung zwischen den Lastfällen jeder Zustand modelliert mit RBE2- und CROD-Elementen nur der Zustand der im jeweiligen Lastfall eingespannt ist leitet Kräfte in die Struktur

15 Topologieoptimierung von Sax 3 Isotrope Modellierung Noch keine Anhaltspunkte zum Ausrichten der Anisotropie vorhanden Quasiisotropes Laminat möglich Unterschale und Trennwand komplett als Sandwich modelliert Zwei 0,75 mm Lagen CFK Schalenelemente Kern aus 10mm Wabenmaterial Volumenelemente Zielgewicht als Restriktion Maximierung der Steifigkeit (Minimize Compliance) als Zielfunktion Sandwich aus Schalen- (violett) und Volumenelementen (blau) 15

16 Topologieoptimierung von Sax 3 Optimierte Wabentopologie Bereiche mit einer virtuellen Dichte unter 45% wurden ausgeblendet 16

17 Topologieoptimierung von Sax 3 Optimierte Wabentopologie Umsetzung in ein CAD-Modell 17

18 Laminatoptimierung von Sax 3 Anisotrope Modellierung des Laminats Wabe weiterhin isotrop Konkrete Stapelung spielt noch keine Rolle nur 4 UD-Lagen modelliert mit 0 /90 und ±45 Freesize -Optimierung 18

19 Laminatoptimierung Sax 3 Freesize - und Size -Optimierung Geometrische Abmessungen als Entwurfsvariablen Unterschiedliche Reichweite der Variablen Faserverbundelemente mit Freesize -Optimierung Faserverbundelemente mit Size -Optimierung 19

20 Laminatoptimierung von Sax 3 Eingesetzte Kohlefaserprepregs besitzen: Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit Extreme Anisotropie korrekter Materialorientierung im FEM-Modell kommt hohe Bedeutung zu Elastizitätsmodul in MPa Elastizitätsmodul in MPa Blau: RGB 50/100/ Zugsteifigkeit von KGBX 2508 Zugsteifigkeit von KGBX

21 Laminatoptimierung Sax 3 Winkelangaben auf Materialorientierung der Elemente bezogen In HyperMesh keine geeignete Methode Elemente auf gekrümmten Flächen zu orientieren eigenes Makro richtet Elementorientierung mit Hilfe von Linien aus Materialorientierung von Schalenelementen nach der Vernetzung 21

22 Laminatoptimierung Sax 3 Winkelangaben auf Materialorientierung der Elemente bezogen In HyperMesh keine geeignete Methode Elemente auf gekrümmten Flächen zu orientieren eigenes Makro richtet Elementorientierung mit Hilfe von Linien aus Die Drapierbarkeitsanalyse in CATIA liefert ein Gitternetz 22

23 Laminatoptimierung Sax 3 Winkelangaben auf Materialorientierung der Elemente bezogen In HyperMesh keine geeignete Methode Elemente auf gekrümmten Flächen zu orientieren eigenes Makro richtet Elementorientierung mit Hilfe von Linien aus Elementorientierung nach der Ausführung des Makros 23

24 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Draufsicht 2 mm 0 mm Faserorientierung 24

25 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Draufsicht 2 mm 0 mm Faserorientierung 25

26 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Draufsicht 2 mm 0 mm Faserorientierung 26

27 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von außen 2 mm 0 mm Faserorientierung 0 bezogen auf lokale Strukturen 27

28 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen (Schnitt durch yz-ebene) 2 mm 0 mm Faserorientierung 0 bezogen auf lokale Strukturen 28

29 Laminatoptimierung Sax 3 Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen (Schnitt durch yz-ebene) 2 mm 0 mm Faserorientierung -45 bezogen auf lokale Strukturen 29

30 Zusammenfassung Funktionstüchtige Konstruktion auf der Basis dieser Studienarbeit Ca. 1/3 strukturelles Gewicht eingespart gegenüber Vorgängerfahrzeug Seit 2008 Teilnahme am Shell Eco-Marathon mit Sax 3 Keine strukturellen Schäden trotz Überschlag 2008 Feinoptimierung unter Beachtung von Fertigungsrandbedingungen birgt weiteres Einsparpotential 30

31 Quelle: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 31

32 Kontakt Dipl.-Ing. Stefan DEMMIG Wissenschaftlicher Mitarbeiter Fachgruppe: Berechnung, Simulation und Auslegung Dienstsitz: Reichenhainer Str. 70, Zimmer: 229 Postadresse: Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau D Chemnitz 32