Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars

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1 Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 17. November 2011 Prof. Dr.-Ing. Dieter Krause Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik Denickestraße Hamburg T F W

2 Inhalt Einleitung Lastfallbestimmung Strukturoptimierung Ableitung eines Designvorschlags Zusammenfassung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 2

3 Einleitung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 3

4 NUS City Car Projekt Stahlrahmen GFK - Außenhülle Gesamtgewicht: ca. 530kg Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 4

5 Auswahl des Rahmens Fahrzeugrahmen Geschweißter Stahlrahmen Abmessungen: 1875 x 1220 x 850mm Gewicht: 55kg Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 5

6 Einführung Strukturoptimierung Topologieoptimierung Parameteroptimierung (Size Optimization) Topologie und Form sind bekannt Optimierung der Dimension der definierenden Parameter Querschnitt A-A Rechteck b A A Kreisring a ri ra Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 6

7 Prozess der Strukturoptimierung Strukturoptimierung Lastfallbestimmung Topologieoptimierung Parameteroptimierung Designvorschlag Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 7

8 Lastfallbestimmung Einleitung Lastfallbestimmung Strukturoptimierung Ableitung eines Designvorschlags Zusammenfassung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 8

9 Lastfallbestimmung Lokale Lastfälle Trägheitskräfte der Hauptkomponenten Vertikal, Lateral, Horizontal Globale Lastfälle Torsion durch Schlagloch Kurvenfahrt Zusammenstoß (linearisiert) Frontal, Seitenaufprall Überschlagen Insgesamt 11 Lastfälle (statisch) Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 9

10 Topologieoptimierung Einleitung Lastfallbestimmung Strukturoptimierung Ableitung eines Designvorschlags Zusammenfassung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 10

11 Entwicklung des Topologie-Optimierungsmodells Modellierung der Aufhängung ohne MKS Modellierung freier Strukturen durch Inertia Relief Bauraum Definition 2D-Elemente oder 3D-Elemente Optimierungsformulierung Stress Constr. oder Global Compl. oder Local Displ. Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 11

12 Finales Optimierungsmodell Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 12

13 Topologieoptimierung - Ergebnisse Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 13

14 Entwicklung des Parameter-Optimierungsmodells Optimierte Topologie Export Drahtmodell Diskretisierung mit PBARL Elementen Zuweisung der Querschnitte erfolgt iterativ unter Berücksichtigung aller Randbedingungen Parallele Optimierung für 2 verschiedene Materialen Optimierung der Rohrquerschnitte mit globaler stress constraint mit dem Ziel eines minimalen Volumens Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 14

15 Ableitung eines Designvorschlags Einleitung Lastfallbestimmung Strukturoptimierung Ableitung eines Designvorschlags Zusammenfassung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 15

16 Designvorschlag Aluminiumrahmen Stahlrahmen Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 16

17 Zusammenfassug Einleitung Lastfallbestimmung Strukturoptimierung Ableitung eines Designvorschlags Zusammenfassung Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 18

18 Zusammenfassung Lastfallbestimmung Topologieoptimierung Parameteroptimierung Designvorschlag 11 Statische Lastfälle Flächenelemente Minimale gewichtete Nachgiebigkeit Übertragung in Drahtmodell diskretisiert mit PBARL-Elementen Optimierung der Querschnitte durch Begrenzung der max. Spannung Gewichtsreduzierung von 26% (Stahl) und 57% (Alu) Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 19

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kontakt: Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 20

20 Position der Hauptkomponenten Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 21

21 Rahmenmodellierung - Methoden Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 22

22 Festigkeitsnachweis Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 23

23 Freikörperbild von Kritischen Knoten Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 24

24 Messung der Torsionssteifigkeit Aluminium Stahl Torsionssteifigkeit [Nm/deg] Relativer Zuwachs der Torsionssteifigkeit % Steifigkeit des alten Rahmens: 450 Nm/deg Strukturoptimierung des Fahrzeugrahmens eines elektrischen Eco Cars 25