Analyse und Optimierung einer Strukturplatte

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2 Analyse und Optimierung einer Strukturplatte Aachen, 2008 Dipl.-Ing. Michael Hamacher Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbh Aachen # hm0009.ppt Folie Nr. 2

3 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 3

4 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte - Modellaufbau - Lastfall 1 - Lastfall 2 Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 4

5 FE-Modell Strukturplatte Modellaufbau Deckplatten und Stege sind durch direkte Knotenanbindung ideal miteinander verbunden Deckplatte oben Stege 500 mm 500 mm 50 mm Deckplatte unten # hm0009.ppt Folie Nr. 5

6 FE-Modell Strukturplatte Modellaufbau Materialdaten: Aluminium E-Modul: MPa Querkontraktionszahl: 0,33 Dichte: 2,71 kg/dm 3 Gesamtgewicht: 2,6 kg Ovale Lochstruktur # hm0009.ppt Folie Nr. 6

7 FE-Modell Strukturplatte Modellaufbau Elementkantenlänge: 5mm Fügeverbindungen durch direkte Knotenanbindungen realisiert # hm0009.ppt Folie Nr. 7

8 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte - Modellaufbau - Lastfall 1 - Lastfall 2 Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 8

9 FE-Modell Strukturplatte Lastfall 1 - Ansicht Oberseite 2 x 50 kn in Y- Richtung gleichmäßig auf die Auflageflächen der beiden Balken (500 mm x 25 mm) verteilt Einspannungen entlang der dargestellten Stegbreite sperren translatorische Bewegung in Y- Richtung über eine Länge von 500 mm Auflagefläche Balken # hm0009.ppt Folie Nr. 9

10 FE-Modell Strukturplatte Lastfall 1 - Ansicht Unterseite Einspannfläche F = 50 kn # hm0009.ppt Folie Nr. 10

11 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte - Modellaufbau - Lastfall 1 - Lastfall 2 Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 11

12 FE-Modell Strukturplatte Lastfall 2 - Ansicht Oberseite Einspannungen sperren translatorische Bewegung in Y-Richtung auf einer Fläche von 125 mm x 125 mm F = 50 kn # hm0009.ppt Folie Nr. 12

13 FE-Modell Strukturplatte Lastfall 2 - Ansicht Unterseite 2 x 50 kn in Y- Richtung gleichmäßig auf die Auflageflächen der beiden Balken (500 mm x 25 mm) verteilt # hm0009.ppt Folie Nr. 13

14 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) - Analyse Lastfall 1 - Analyse Lastfall 2 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 14

15 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 1 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Max. Versch.: 7,17 mm Strukturblech_Lastfall_1_Verschiebungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 15

16 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Oberseite Strukturblech_Lastfall_1_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 16

17 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Unterseite Strukturblech_Lastfall_1_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 17

18 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Max. Spannung: 593 MPa Strukturblech_Lastfall_1 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 18

19 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Stege und Deckplatte unten Max. Spannung: 593 MPa Strukturblech_Lastfall_1 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 19

20 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) - Analyse Lastfall 1 - Analyse Lastfall 2 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 20

21 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 2 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Strukturblech_Lastfall_2_Verschiebungen.h3d Max. Versch.: 6,45 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 21

22 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Oberseite Strukturblech_Lastfall_2_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 22

23 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Unterseite Strukturblech_Lastfall_2_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 23

24 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Max. Spannung: 735 MPa Strukturblech_Lastfall_2 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 24

25 Basismodell (ovale Lochstruktur) Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Max. Spannung: 735 MPa Strukturblech_Lastfall_2 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 25

26 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial - Verlängerte Strukturplatte (1000 x 500) - Analyse Lastfall 1 - Vollmaterialplatte (1000 x 500) mit gleicher Performance - Analyse Lastfall 1 Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 26

27 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Verlängerte Strukturplatte (1000 x 500) Deckplatten und Stege sind durch direkte Knotenanbindung ideal miteinander verbunden Belastung analog zum Lastfall 1 des Basismodells (2 x 50 kn) Gewicht: 5,2 kg Deckplatte oben 1000 mm Stege 500 mm 50 mm Deckplatte unten # hm0009.ppt Folie Nr. 27

28 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Max. Versch.: 44,8 mm Strukturblech_Lastfall_lange_Version_Verschiebungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 28

29 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Oberseite Strukturblech_Lastfall_lange_Version_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 29

30 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Unterseite Strukturblech_Lastfall_lange_Version_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 30

31 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Strukturblech_Lastfall_lange_Version_Spannungen_2.h3d Max. Spannung: 1150 MPa # hm0009.ppt Folie Nr. 31

32 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Stege und Deckplatte unten Max. Spannung: 1150 MPa # hm0009.ppt Folie Nr. 32

33 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial - Verlängerte Strukturplatte (1000 x 500) - Analyse Lastfall 1 - Vollmaterialplatte (1000 x 500) mit gleicher Performance - Analyse Lastfall 1 Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 33

34 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Vollmaterialplatte (1000 x 500) mit gleicher Performance Materialstärke: 24,88 mm Gewicht: 33,71 kg (bei gleicher Performance wie Strukturplatte) Belastung analog zum Lastfall 1 des Basismodells (2 x 50 kn) 1000 mm 500 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 34 Materialdaten: Aluminium E-Modul: MPa Querkontraktionszahl: 0,33 Dichte: 2,71 kg/dm 3

35 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Max. Versch.: 44,7 mm Vollmaterialplatte_Verschiebungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 35

36 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Einspannungen Vollmaterialplatte_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 36

37 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Max. Spannung: 434 MPa # hm0009.ppt Folie Nr. 37

38 Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Max. Spannung: 434 MPa # hm0009.ppt Folie Nr. 38

39 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell - Lastfalldefinition - Optimierungsparameter - Ergebnis Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 39

40 Parameteroptimierung Basismodell Lastfalldefinition Kombinierter Lastfall: Beide Lastfälle werden bei der Optimierung berücksichtigt Lastfall Biegung_1: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Lastfall Biegung_2: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Einspannungen sperren translatorische Bewegung in Y-Richtung (siehe Lastfall 1) # hm0009.ppt Folie Nr. 40

41 Parameteroptimierung Basismodell Optimierungsparameter Systemantworten: Randbedingung: Optimierungsziel: Designvariable: - Gesamtmasse - Summe der Strukturnachgiebigkeiten beider Lastfälle (Gewichtung 1:1) - Grenze für Gesamtmasse: 2,609 kg (gleiches Gewicht) - Minimierung der Summe der Strukturnachgiebigkeiten (Maximierung der Steifigkeit) - Variierung der Blechdicken der Komponenten Deckplatte oben, Deckplatte unten und Stege - Intervall Deckplatte oben: 0,4 mm bis 2,0 mm - Intervall Deckplatte unten: 0,4 mm bis 2,0 mm - Intervall Stege: 0,4 mm bis 2,0 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 41

42 Parameteroptimierung Basismodell Ergebnis Verschiebungen Biegung 1 Verschiebung [mm] Max. Versch.: 7,07 mm (Basis: 7,13 mm) Deckplatte oben: 1,193 mm Deckplatte oben: 1,171 mm Stege: 0,7956 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 42

43 Parameteroptimierung Basismodell Ergebnis Spannungen Biegung 1 Spannung [MPa] Deckplatte oben: 1,193 mm Deckplatte oben: 1,171 mm Stege: 0,7956 mm Max. Spannung: 631 MPa (Basis: 604 MPa) # hm0009.ppt Folie Nr. 43

44 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung - Lastfalldefinition - Optimierungsparameter - Ergebnis Trapezlochstruktur Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 44

45 Topologieoptimierung Lastfalldefinition Kombinierter Lastfall: Beide Lastfälle werden bei der Optimierung berücksichtigt Lastfall Biegung_1: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Lastfall Biegung_2: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Einspannungen sperren translatorische Bewegung in Y-Richtung (siehe Lastfall 1) Blau eingefärbte Stegbereiche sowie die beiden Deckplatten gehören zum Nondesignraum, d.h. sie werden bei der Topologieoptimierung nicht berücksichtigt # hm0009.ppt Folie Nr. 45

46 Topologieoptimierung Optimierungsparameter Systemantworten: Randbedingung: Optimierungsziel: - Gesamtmasse - Summe der Strukturnachgiebigkeiten beider Lastfälle (Gewichtung 1:1) - Grenze für Gesamtmasse: 2,609 kg (gleiches Gewicht) - Minimierung der Summe der Strukturnachgiebigkeiten (Maximierung der Steifigkeit) Designvariable: - Dichte der Elemente des Designraums (Wert zwischen 0 und 1) - Farbliche Darstellung: Wichtige Bereiche mit Dichtewert 1 werden in rot dargestellt, unwichtige Bereiche in blau # hm0009.ppt Folie Nr. 46

47 Topologieoptimierung Ergebnis Dichteverteilung Gesamtgewicht: 2,609 kg Biegung 1: Max. Versch.: 6,65 mm Max. Spannung: 478 MPa Strukturblech_Topologieoptimierung.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 47

48 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur - FE-Modell - Analyse Lastfall 1 - Analyse Lastfall 2 Shape Optimierung # hm0009.ppt Folie Nr. 48

49 Trapezlochstruktur FE-Modell Deckplatten und Stege sind durch direkte Knotenanbindung ideal miteinander verbunden Deckplatte oben Stege 500 mm 500 mm 50 mm Deckplatte unten # hm0009.ppt Folie Nr. 49

50 Trapezlochstruktur FE-Modell Materialdaten: Aluminium E-Modul: MPa Querkontraktionszahl: 0,33 Dichte: 2,71 kg/dm 3 Gesamtgewicht: 2,226 kg Trapezlochstruktur # hm0009.ppt Folie Nr. 50

51 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 1 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Trapezlochstruktur_Lastfall_1_Verschiebungen.h3d Max. Versch.: 13,3 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 51

52 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Oberseite Trapezlochstruktur_Lastfall_1_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 52

53 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Unterseite Trapezlochstruktur_Lastfall_1_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 53

54 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 1 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Max. Spannung: 1490 MPa Trapezlochstruktur_Lastfall_1 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 54

55 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 2 - Verschiebungen Verschiebung [mm] Trapezlochstruktur_Lastfall_2_Verschiebungen.h3d Max. Versch.: 11,8 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 55

56 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Oberseite Trapezlochstruktur_Lastfall_2_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 56

57 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Ansicht Unterseite Trapezlochstruktur_Lastfall_2_Spannungen.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 57

58 Trapezlochstruktur Analyse Lastfall 2 - Spannungen Spannung [MPa] Stege Max. Spannung: 2060 MPa Trapezlochstruktur_Lastfall_2 _Spannungen_2.h3d # hm0009.ppt Folie Nr. 58

59 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung - Basismodell - Trapezlochstruktur # hm0009.ppt Folie Nr. 59

60 Shape Optimierung Basismodell Lastfalldefinition Kombinierter Lastfall: Beide Lastfälle werden bei der Optimierung berücksichtigt Lastfall Biegung_1: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Lastfall Biegung_2: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Einspannungen sperren translatorische Bewegung in Y-Richtung (siehe Lastfall 1) # hm0009.ppt Folie Nr. 60

61 Shape Optimierung Basismodell Optimierungsparameter Systemantworten: Randbedingung: Optimierungsziel: Designvariable: - Gesamtmasse - Summe der Strukturnachgiebigkeiten beider Lastfälle (Gewichtung 1:1) - Grenze für Gesamtmasse: 2,62 kg (0,011 kg über dem Gewicht des Basismodells damit Verbesserung möglich) - Bei einem Grenzgewicht von 2,609 kg wurde durch den Optimierer keine Steifigkeitsverbesserung erzielt - Minimierung der Summe der Strukturnachgiebigkeiten (Maximierung der Steifigkeit) - Änderung des Lochdesigns durch Variation des Lochradius sowie Verschiebung der Löcher entlang der Stegfläche - Alle Löcher erhalten das gleiche Design # hm0009.ppt Folie Nr. 61

62 Shape Optimierung Basismodell Ergebnis Gesamtgewicht: 2,619 kg 29,8 mm 25,2 mm 6,1 mm 21,2 mm Strukturblech_ Shapeoptimierung.h3d Biegung 1: Max. Versch.: 7,058 mm Basis: 7,13 mm # hm0009.ppt Folie Nr. 62

63 Shape Optimierung Basismodell Ergebnis - Spannungen Biegung 1: Max. Spannung: 678 MPa Basis: 607 MPa Optimierung führt nur zu einer geringfügigen Verbesserung der Steifigkeit, jedoch aufgrund der Lochverschiebung zu einer deutlichen Erhöhung des Spannungsniveaus, so dass das Basismodell die bessere Variante darstellt # hm0009.ppt Folie Nr. 63

64 Analyse und Lochoptimierung einer Strukturplatte Übersicht FE-Modell Strukturplatte Basismodell (ovale Lochstruktur) Vergleich Strukturplatte zu Platte aus Vollmaterial Parameteroptimierung Basismodell Topologieoptimierung Trapezlochstruktur Shape Optimierung - Basismodell - Trapezlochstruktur # hm0009.ppt Folie Nr. 64

65 Shape Optimierung Trapezlochstruktur Lastfalldefinition Kombinierter Lastfall: Beide Lastfälle werden bei der Optimierung berücksichtigt Lastfall Biegung_1: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Lastfall Biegung_2: 2 x 50 kn wirken in Y-Richtung auf Auflageflächen der jeweiligen Balken (500 mm x 25 mm) Einspannungen sperren translatorische Bewegung in Y-Richtung (siehe Lastfall 1) # hm0009.ppt Folie Nr. 65

66 Shape Optimierung Trapezlochstruktur Optimierungsparameter Systemantworten: Randbedingung: Optimierungsziel: Designvariable: - Gesamtmasse - Summe der Strukturnachgiebigkeiten beider Lastfälle (Gewichtung 1:1) - Grenze für Gesamtmasse: 2,6 kg (entspricht Gewicht des Basismodells) - Minimierung der Summe der Strukturnachgiebigkeiten (Maximierung der Steifigkeit) - Änderung des Trapezlochdesigns durch Verkürzung der Trapezkanten - Alle Löcher erhalten das gleiche Design - Verkleinerung der Trapezlöcher durch Netzkriterien begrenzt: maximal erreichbares Gesamtgewicht liegt 0,013 kg unter dem Gesamtgewicht des Basismodells # hm0009.ppt Folie Nr. 66

67 Shape Optimierung Trapezlochstruktur Ergebnis Gesamtgewicht: 2,596 kg 37,1 mm 14,0 mm 15,8 mm 14,1 mm 30,8 mm Trapezlochstruktur_ Shapeoptimierung.h3d 8,9 mm Biegung 1: Max. Versch.: 7,975 mm Max. Spannung: 686 MPa # hm0009.ppt Folie Nr. 67

68 Shape Optimierung Trapezlochstruktur Ergebnis - Spannungen Biegung 1: Max. Versch.: 7,975 mm Max. Spannung: 686 MPa Trapezdesign weist bei fast identischem Gewicht im Vergleich zum Basismodell mit Lochdesign größere Verformungen sowie ein höheres Spannungsniveau auf # hm0009.ppt Folie Nr. 68

69 Kontakt Dipl.-Ing. Michael Hamacher fka Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbh Aachen Steinbachstr Aachen (Germany) Telefon +49 / Fax +49 / hamacher@fka.de Internet # hm0009.ppt Folie Nr. 69

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