Topologie- und Gewichtsoptimierung BMC Fahrrad-Vorbau und AMZ Radträger

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1 Topologie- und Gewichtsoptimierung BMC Fahrrad-Vorbau und AMZ Radträger VPE Swiss Symposium 2013 Hochschule für Technik Rapperswil Benjamin Schwenter CADFEM (Suisse) AG Pascal Fischer Akademischer Motorsportverein Zürich

2 CADFEM: FEM / CFD Software and Services CADFEM CAE Software & Services 30 years experience 160+ employees 50 Mio. revenue Central Europe: 12 offices 100+ ANSYS technical & sales engineers 50+ different seminar topics Master of Engineering: Applied Computational Mechanics Worldwide through partners & TechNet Alliance Software Seminars Support Consulting

3 Inhalt 1. TOPOLOGIE-OPTIMIERUNG 2. BEISPIEL: RADTRÄGER Quelle: FE-DESIGN 3. BEISPIEL: BIKE-VORBAU 4. AUSBLICK

4 Teil 1 TOPOLOGIE-OPTIMIERUNG Quelle: FE-DESIGN

5 Topologie-Optimierung Zwei fundamentale Arten der Optimierung Shape Topologie Parameterfreie Optimierung Parametrische Optimierung Evol. Alg. Statistik Topologie-Optimierung ist parameterfrei! Einfache Handhabung Kann: Strukturoptimierung wie Steifigkeit, Masse, etc. optimierte Materialverteilung viele Variablen

6 Topologie-Optimierung Funktionsweise Ziel: In einem definierten Bauraum mit strukturellen Randbedingungen soll eine gegebene Masse so verteilt werden, dass eine globale Zielgrösse ein Minimum/Maximum erreicht. Quelle: FE-DESIGN Voraussetzung: Finite-Elemente-Software Optimierungs-Software

7 Topologie-Optimierung Funktionsweise schematisch Quelle: FE-DESIGN E-Modul E i eines jeden Elementes i wird variiert; verschiedene Lastfälle. Anzahl Variablen = Anzahl Elemente Diejenigen Elemente mit einer Spannung < S werden eliminiert (E i und Dichte wird tiefgesetzt)

8 Topologie-Optimierung Zwei Algorithmen in der Topologie-Optimierung Controller Nichtlineare Statik keine Modalanalyse Zielfunktion: Steifigkeit erhöhen RB immer Volumen: Volumen = Wert Iterationen: ca. 15 Sensitivität Lineare Statik Einige Nichtlinearitäten Modal (Eigenfrequenzen) mehrere Zielfunktionen und RB RB sind vom Typ: Volumen < Wert Iterationen: ca

9 Topologie-Optimierung Typische Aufgaben für die Topologie-Optimierung Steifigkeit maximieren, bei Volumen-/Massenbeschränkung bei Frequenzbeschränkungen Spannungen minimieren, homogen verteilen Verschiebungen minimieren, bei Volumen-/Massenbeschränkung Volumen minimieren, bei Deformationsbeschränkungen Reaktions oder Interne Kräfte minimieren Maximierung der ersten Eigenfrequenz Maximierung der Frequenzlücke zwischen zwei Eigenfrequenzen Beschränkung des Unterschieds zwischen zwei Verformungen

10 Teil 2 BEISPIEL RADTRÄGER

11 Inhalt Überblick Formula Student Anforderungen an das Bauteil Bauraummodell Optimierungsläufe Einfluss auf das endgültige Bauteil Fazit Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 10

12 Formula Student Der grösste Studentische Ingenieurswettbewerb der Welt Mehr als 500 Teams ca. 100 Elektro-Teams Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 11

13 Zielsetzung Formula Student Produktzyklus komplett selbst gestalten Von A wie Konzeptfindung Bis Z wie Testphase Gefragt sind: Kreative Lösungen und kritisches Denken Zeitmanagement Sponsorenakquise Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 12

14 Formula Student An der ETH Zürich entsteht jedes Jahr ein neuer Rennwagen für die Formula Student Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 13

15 Anforderungen an den Radträger Verbindung der Fahrwerksgeometrie mit Radnaben und Rad 3 relevante Lastfälle in der Auslegung Bump (10 cm hohe Schwelle) Kurvenfahrt mit 2.6 g Bremsen Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 14

16 Bauraummodell Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 15

17 Bauraummodell Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 16

18 Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 10 % Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 17

19 Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 15 % Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 18

20 Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 10 % und der Vorgabe einer Entformungsrichtung Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 19

21 Einfluss auf das endgültige Bauteil Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 20

22 Einfluss auf das endgültige Bauteil Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 21

23 Fazit Direkte Übernahme des Resultates meist nicht ohne Anpassungen möglich Setzt gut bekannte Lastfälle voraus Gutes Mittel um Ideen für neue Geometrien zu bekommen Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 22

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25 Teil 3 BEISPIEL: BIKE-VORBAU

26 Ausgangslage: Projekt: Idee Moderne Fertigungsmethoden wie Rapid Prototyping erlauben unkonventionelle Bauformen Moderne Fertigungsmethoden benötigen moderne Software Idee: Mit modernen Fertigungstechniken wie Rapid Prototyping ein Fahrrad-Vorbau mit minimalem Gewicht aber gleichbleibender Steifigkeit herstellen. Quelle:

27 Projekt: Idee Startpunkt: konventioneller Vorbau Ziel: Gewicht minimieren Kriterien: Steifigkeit Belastungstests Weg: Finite Elemente Analyse Topologieoptimierung Rapid Prototyping

28 Projekt: Umsetzung FE-Modell 1. CAD-Modell 2. Finite Elemente Modell 3. Lasten und Randbdg.

29 Projekt: Umsetzung FE-Modell: Lasten und Randbedingungen 1. Randbedingungen: Festsitzendes Steuerrohr 2. Schrauben anziehen + 3 Lastfälle: 1. Belastung an Mitte Lenker 2600 N 2. Torsionsbelastung Abstützstelle Lenker re. Hand 3. Torsionsbelastung Abstützstelle Lenker li. Hand entspricht Belastungstest für MTB 1000 N

30 Projekt: Umsetzung Ergebnisse der FEM Analyse Material: Stahl , gehärtet E-Modul 199 GPa; R p MPa; R m 1300 MPa Maximale Gesamtverformung: Vorwärtsbelastung: 0.18 mm Torsionsbelastung: 0.42 mm MPa Vergleichsspannungen bei Torsionsbelastung

31 Projekt: Umsetzung Topologie-Optimierung I Definieren des Bauraumes Definieren des Designraumes Definieren von Optimierungs- Randbedingungen (RB) z.b. für Fertigung, Symmetrie

32 Projekt: Umsetzung Topologie-Optimierung II Optimierungs-Randbedingungen: frozen Ziel: maximale Steifigkeit Optimierungs-Randbedingung: Volumen = 13 % Designraum (Original 14%)

33 Substeps Projekt: Umsetzung

34 Projekt: Umsetzung Ergebnisse der Topologie-Optimierung Gewicht: - 7%, Aufwand einige Tage Aussenradius des Bauraumes wurde ausgenutzt Seite Oben Vorne

35 Projekt: Umsetzung Umsetzung mit Rapid-Prototyping SLM Selective Laser Melting Verfahren: Es werden typischerweise 30 mm dicke Pulverschichten aus Standard Metallen auf eine Metallplatte aufgetragen und die Querschnittsfläche eines Bauteils in der entsprechenden Bauteilhöhe mittels eines Lasers abgescannt. Dadurch schmilzt das Pulvermaterial und wird mit der bereits aufgebauten unteren Schicht verschweisst. Das Bauteil wächst schichtweise oder eben generativ. Verfügbare Materialien:

36 Projekt: Umsetzung Umsetzung mit Rapid-Prototyping Quelle: FE-DESIGN

37 Projektstand heute Projekt: Umsetzung

38 Projekt: Umsetzung Projektstand heute geklärt: Struktur hergestellt und montiert Zielvorgabe bezüglich Gewicht und Steifigkeit erreicht Festigkeit im Dauerversuch nicht erfüllt offen: Glättung und Verfeinerung des Designs Herstellungskosten Quelle: bmc-racing.com

39 Teil 4 AUSBLICK

40 Weitere Optimierungsmöglichkeiten Querlenker von Audi Redesign Existing design Cutting splines Topology optimization Design space model Quelle: FE-DESIGN 0 Weight Max. stress Max. displacement Existing design New design

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! CAE Software Seminars Support Consulting