Konzeptauslegung bei BMW mit Balken/Schalen FE- Modellen

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Rudolf Hermann
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1 AUTOMOTIVE INFOKOM VERKEHR, UMWELT & ENERGIETECHNIK LUFTFAHRT RAUMFAHRT VERTEIDIGUNG & SICHERHEIT Konzeptauslegung bei BMW mit Balken/Schalen FE- Modellen Dr. Manfred Kroiss, IABG mbh Helmut Schneeweiß, Dr. Luc Cremers, BMW Group Unterschleißheim,

Inhalt 1. IABG Unternehmenspräsentation 2.

führendes europäisches Technologie-Unternehmen mit

InfoKom Verkehr, Umwelt & Energietechnik

Kommunikations- und Informationssysteme Raumfahrt

2 Inhalt 1. IABG Unternehmenspräsentation 2. Strukturoptimierung mit Balken-Schalen-Modellen 3. Anwendungsbeispiel 4. Zusammenfassung und Ausblick Die IABG ist ein führendes europäisches Technologie-Unternehmen mit der Kernkompetenz Simulation und Test Automotive InfoKom Verkehr, Umwelt & Energietechnik Mechatronische Test-Systeme Luftfahrt Sichere Kommunikations- und Informationssysteme Raumfahrt Betrieb der Transrapid- Versuchsanlage Verteidigung & Sicherheit Betriebsfestigkeitsversuch am Airbus A380 Betrieb ESA-koordinierter Raumfahrt- Testzentren Entwicklung und Betrieb von Simulations- und Testsystemen

Testzentrum der IABG in Ottobrunn Versuchsanlagen beim Kunden Kundenspezifische Investitions- und Betreibermodelle

3 Automotive Analyse & Konzeption Experimentelle Untersuchungen CAE-Dienstleistungen Mechatronik-Systemanalysen Realisierung Kundenspezifische Versuchsanlagen Prüfstände für Dauerfunktionsprüfung Systemprüfstände mit Hardware-in-the-Loop- Option Betrieb Testzentrum der IABG in Ottobrunn Versuchsanlagen beim Kunden Kundenspezifische Investitions- und Betreibermodelle (Fahrwerk/Karosserie/ Antrieb) Inhalt 1. IABG Unternehmenspräsentation 2. Strukturoptimierung mit Balken-Schalen-Modellen 3. Anwendungsbeispiel 4. Zusammenfassung und Ausblick

BMW Hauptabteilung Akustik und Schwingungen Seit 2004 unterstützt die

Initialphase Konzeptphase Serienentwicklung Modellüberarbeitung

4 BMW Hauptabteilung Akustik und Schwingungen Seit 2004 unterstützt die IABG BMW auf dem Gebiet der FE Konzeptauslegung mit Balken/Schalen (B/S) FE Modellen. Die BMW Hauptabteilung Akustik und Schwingungen verantwortet die NVH Auslegung aller BMW Group Modelle. Involviert in allen Entwicklungsphasen. Initialphase Konzeptphase Serienentwicklung Modellüberarbeitung Strukturdynamik und Schwingungen Warum Balken/Schalen FE Konzeptmodelle? Parameteroptimierung hinsichtlich Bauraum Cross_2 = Alu Cross_3 = Alu Cross_1 = Steel Wandstärken optimierung W, H = 40, T = 3 Querschnittsoptimierung W, H = 60, T = 1 W, H = 40, T = 1 Bending Stiffness = E * Ix 100% 100% 112,5% Mass = Rho * A 100% 100% 50%

5 Eigenschaften und Eingabedaten für Balken/Schalen-Modelle Ca Knoten (FE Feinmodell: circa 1.5 Mio. Knoten) Balken Propertys definiert aus ca. 500 verschiedenen Querschnitten Skizzen, Zeichnungen Vorgängermodell CAD Aufteilung des Ausgangsmodells in Träger und Flächen Trägerstruktur Balkenelemente Balken/Schalen Modell Flächenstruktur Schalenelemente

6 Optimierungsprozess 1500 Design Variablen 25 Lastfälle Numerische Optimierung mit Nastran Sol 200 Funktionale Ziele Dynamische Steifigkeit Statische Steifigkeit Lenkrad- Schwing. Minimales Gewicht Überschlag Crash Design-Variablen von Balkenquerschnitten Bisher: Äquivalenter Ersatzquerschnitt aus Nastran Beam Library A, I1, I2, J Desvars: dim1 dim4 Aktuell: Exakte Geometriebeschreibung mit Nastran PBxSECT Desvars: w, h, t(1) t(3)

Laufzeitumgebungen) Design Modell: Massive

Responses und Constraints mit OptiCenter

7 Launcher: Java-Interface für Balken/Schalen-Tools und beliebige weitere Applikationen Frei konfigurierbar über xml-dateien GUI für Programmoptionen (z.b. für Perl-Skripte) Plattformunabhängig (Windows, Linux) Portabel (integrierte Laufzeitumgebungen) Design Modell: Massive Erstellung von Design-Variablen, geometrischen Responses und Constraints mit OptiCenter Strukturbereich Design-Variablen für Bauraum und Wandstärken Geometrische Responses und Constraints

8 Design Modell: Erstellung von funktionalen Responses, Constraints und Zielfunktion mit OptiCenter Responses und Constraints für dynamische Steifigkeiten Responses und Constraints für statische Steifigkeiten Gewichtungsfaktoren Post Processing: Darstellung der Optimierungsergebnisse Optimierungsverlauf 3D-Plot Intranet

Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine

9 Inhalt 1. IABG Unternehmenspräsentation 2. Strukturoptimierung mit Balken-Schalen-Modellen 3. Anwendungsbeispiel 4. Zusammenfassung und Ausblick Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Prinzipstudie : Material aller Stahlbauteile durch Aluminium ersetzt Stahl Alu Ausgang Aluminium- Variante

Optimierung der Aluminium-Variante Ziel: Erreichen der statischen und dynamischen Ausgangswerte der Stahlkarosserie

10 Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Ergebnisse (relativ zu 3er-Serienlimousine) Masse [kg] Statik [%] Dynamik [Hz] -64,4-11,9 Variante Alu Variante Alu optimiert -235,1 Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Optimierung der Aluminium-Variante Ziel: Erreichen der statischen und dynamischen Ausgangswerte der Stahlkarosserie Designbereich: Materialmodifizierte Trägerstruktur (rot eingefärbte Träger) Geometrische Randbedingung: Bauraum max. +50%

11 Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Ergebnisse Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Ergebnisse

12 Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Ergebnisse Schweller Dachlängsträger Leichtbauuntersuchungen am Beispiel 3er Limousine Ergebnisse (relativ zu 3er-Serienlimousine) Masse [kg] Statik [%] Dynamik [Hz] 7,2-64,4-1,2-11,9 Variante Alu Variante Alu optimiert -168,6-235,1

13 Inhalt 1. IABG Unternehmenspräsentation 2. Strukturoptimierung mit Balken-Schalen-Modellen 3. Anwendungsbeispiel 4. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Bei der Entwicklung von neuen Fahrzeugmodellen ist die Verwendung von Balken- Schalen-Modellen eine bei BMW seit Jahren etablierte Vorgehensweise in der Konzeptphase. Wesentlicher Bestandteil dieser Methodik sind eine Reihe eigener Softwareentwicklungen vor allem in den Bereichen Design-Modell Erstellung für Solution 200 und Post-Processing von Optimierungsergebnissen. Der Umstieg von Standardquerschnitten hin zur generalisierten Querschnittsbeschreibung der Balkenelemente mit PBxSECT stellt eine neue Stufe in den Einsatzmöglichkeiten der Balken-Schalen-Modelle dar. Neben qualitativen sind nun auch quantitative Vorgaben für Bauraum und Wandstärken möglich.

Zusammenfassung und Ausblick Nächste denkbare Entwicklungen in Zusammenarbeit mit MSC Software: Check auf Querschnittsintegrität bezüglich Triangulation während eines Optimierungslaufs Erweiterung

14 Zusammenfassung und Ausblick Nächste denkbare Entwicklungen in Zusammenarbeit mit MSC Software: Check auf Querschnittsintegrität bezüglich Triangulation während eines Optimierungslaufs Erweiterung der PBxSECT Syntax (brp s an brp s) aktuelles Vorgehen: Multi-Material-Querschnitte Ihr Ansprechpartner IABG mbh Dr. Manfred Kroiss Festigkeit, Berechnung, Methodenentwicklung Einsteinstraße Ottobrunn Telefon Fax kroiss@iabg.de Web

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