Analyse und Optimierung einer Strukturplatte
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- Rudolf Beltz
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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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