LS - OPT SFE - CONCEPT. Inhalt. Kurzer Überblick der Datenorganisation. Beispiele:

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1 Inhalt Kurzer Überblick der Datenorganisation Beispiele: Crashbox (Stahl) Stossfänger (Stahl) B-Säulenverkleidung (Kunststoff) Seitencrashmodell (Änderungsszenarien) Formoptimierung anhand assoziativer FE-Netze mit LS - OPT und SFE - CONCEPT Diskussion und Ausblick Einfache Beispiele und Hinweise

2 Datenorganisation Ablaufdiagramm der beteiligten Programme schematische Darstellung SFE Concept Stapelverarbeitung Output: DYNA Dateien FE-Geometrie Schweißpunkte Randbedingung Rigidwall Der gezeigte Ablauf ist in Der gezeigte Ablauf ist in keiner Weise verbindlich und keiner Weise verbindlich und stark davon abhängig, stark davon abhängig, welche Systeme für die welche Systeme für die Optimierung verwendet Optimierung verwendet werden (Cluster / Lokal / werden (Cluster / Lokal / FE-Solver Art /...) FE-Solver Art /...) Dieser gilt nur für die drei Dieser gilt nur für die drei folgenden Beispiele! folgenden Beispiele! Hinterrund: Hinterrund: SED Kommando SFE Concept schreibte SFE Concept schreibte bislang nur einfachste bislang nur einfachste Materialgesetze aus, welche Materialgesetze aus, welche nicht für die nicht für die Crashberechnung geeignet Crashberechnung geeignet waren weitere waren weitere Randbedingungen des Randbedingungen des Modells sind momentan Modells sind momentan manuell für die eigenen manuell für die eigenen Anwendungsfälle Anwendungsfälle vorzunehmen. vorzunehmen. Manueller Zusatz Definitionen Material LS-OPT LS-DYNA Mainkey

3 Beispiel Nr.1 Optimierung einer Crashbox Multidisziplinärer Lastfall mit entsprechender multidisziplinärer Optimierung (MDO) Die gezeigte Crashbox Die gezeigte Crashbox besteht im Ausgangszustand besteht im Ausgangszustand nur aus einem zylindrischen nur aus einem zylindrischen Rohr. Die Stossfänger Rohr. Die Stossfänger ähnliche ähnliche Anschlussgeometrie ist nur Anschlussgeometrie ist nur aus Interesse definiert aus Interesse definiert worden um eventuelle worden um eventuelle Auffälligkeiten zu entdecken. Auffälligkeiten zu entdecken. Der Lastfall zeigt eine Der Lastfall zeigt eine multidisziplinäre Anwendung multidisziplinäre Anwendung mit dem Unterschied einer mit dem Unterschied einer Winkeldifferenz der Rigidwall Winkeldifferenz der Rigidwall die auf die die auf die Stossfängergeometrie Stossfängergeometrie auftrifft. auftrifft. Eine anschließende Eine anschließende Robustheitsuntersuchung Robustheitsuntersuchung des des Optimierungsergebnisses Optimierungsergebnisses durch Variierung der durch Variierung der Stossfängereigeschaften Stossfängereigeschaften wäre eine sinnvolle wäre eine sinnvolle Ergänzung. Ergänzung. Optimierungsziele: Parameter: - Reduzierung der Kontaktkraft zw. Rigidwall und Stossfängergeometrie Belastung: Belastung: - Restriktion der Knotenverschiebung in X-Richtung (sowie in Y- und Z-Richtung) Rigidwall mit 800kg - Reduzierung der Masse (Wandstärke) Rigidwall mit 800kg 4,2 mm/ms zur 4,2 mm/ms zur Normalenrichtung! - Skalierung der Querschnittsgeometrien des Rohres an 6 verschiedenen Stellen in Y- und Z-Richtung Normalenrichtung! - Variierung der Bleckdicke (Wandstärke) (13 Parameter)

4 Beispiel Nr.1 Optimierung einer Crashbox Lastfall G Vergleich der Basisvarianten Lastfall S Überblick der Basisversion Überblick der Basisversion Geometrische Anordnung Geometrische Anordnung und Deformationsbild nach und Deformationsbild nach Belastung Belastung Draufsicht Draufsicht Seitenansicht Seitenansicht

5 Beispiel Nr.1 Optimierung einer Crashbox Vergleich der Systemantworten Maximale (Constraint F=120kN) Kontaktkraft wird überschritten allerdings zu Gunsten der Knotenverschiebung welche höher gewichtet wurde. Aufgrund der Vorzeitig abgebrochenen Optimierung kann jedoch aus dem Parameterverlauf geschlossen werden, dass die Verschiebungen sich dem max. Wert von 80mm annähern werden um so die Maximalkraft zu minimieren. Die Optimierung bewirkt das Die Optimierung bewirkt das eine Geometrie gefunden eine Geometrie gefunden wird, die beide wird, die beide Systemantworten im Verlauf Systemantworten im Verlauf ähnlich sind. Besonders die ähnlich sind. Besonders die die hohen Anfagskräfte die hohen Anfagskräfte verschwinden, allerdings verschwinden, allerdings wird ein ideal typischer wird ein ideal typischer Rechteckverlauf nicht erfüllt. Rechteckverlauf nicht erfüllt.

6 Beispiel Nr.1 Optimierung einer Crashbox Video Crashpipe G Basis.avi Crashpipe S Basis.avi Videos der Deformation Videos der Deformation beider Lastfälle mit beider Lastfälle mit optimierter Geometrie optimierter Geometrie Crashpipe G Opt.avi Crashpipe S Opt.avi

7 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Multidisziplinärer Lastfall mit entsprechender multidisziplinärer Optimierung (MDO) Gezeigt wird eine einfache Gezeigt wird eine einfache Stossfängergeometrie mit Stossfängergeometrie mit Anschlussgeometrie. Es Anschlussgeometrie. Es handelt sich auch hier um handelt sich auch hier um eine multidisziplinäre eine multidisziplinäre Anwendung, bei der die Anwendung, bei der die Stossfängergeometrie mittig Stossfängergeometrie mittig getroffen wird und mittig getroffen wird und mittig versetz auf Höhe einer versetz auf Höhe einer Anschlussgeometrie. Anschlussgeometrie. Geometrische Änderungen Geometrische Änderungen werden nur am inneren werden nur am inneren Versteifungsblech Versteifungsblech vorgenommen, wobei sich vorgenommen, wobei sich die sechs Parameterpunkte die sechs Parameterpunkte nur paarweise verschieben nur paarweise verschieben (zu Gunsten der (zu Gunsten der geometrischen Endkontur) geometrischen Endkontur) Optimierungsziele: - Reduzierung der Kontaktkraft zw. Barriere und Stossfängergeometrie (3 Verschiedene) - Restriktion der Knotenverschiebung in Y-Richtung der Barriere - Reduzierung der Masse (Wandstärke) Parameter: - Paarweise Knotenverschiebung der Versteifungskontur - Variierung der Bleckdicke (Wandstärke) (7 Parameter)

8 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Optimierungsziele Optimierung Nr.0: Maximierung der Inneren Energie der drei Stossfängerkonturen Systemantworten entsprechend auf die entsprechend auf die Minimierung der Kontaktkraft / Wandstärke (nur Versteifungsblech) / und Intrusion Optimierung der Barriere wirken. Optimierung Nr.1: Minimierung der Kontaktkraft / Wandstärke (nur Versteifungsblech) / und Intrusion der Barriere Optimierung Nr.2: Minimierung der Kontaktkraft / Wandstärke (nur Versteifungsblech) Optimierung Nr.3: Minimierung des Fehlers der Kontaktkraft gegenüber der Vorgabekurve Vorgabekurven der Kontaktkraft zw. Barriere und Stossfänger 60 Anhand des Beispiels Anhand des Beispiels wurden 4 verschiedene wurden 4 verschiedene Optimierungen Optimierungen vorgenommen vorgenommen Zu beachten ist, dass die Zu beachten ist, dass die Wichtung der Wichtung der Systemantworten Optimierung wirken. Eindrucksvoll zeigt die Eindrucksvoll zeigt die Optimierung 0 die Wichtung Optimierung 0 die Wichtung der inneren Energie der inneren Energie welche dominant die welche dominant die weiteren Randbedingungen weiteren Randbedingungen unterdrückt. unterdrückt Kraft [kn] Zeit [ms] Vorgabe für 0X-Belastung Vorgabe für 150X-Belastung

9 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 Darstellung der vier Optimierungsergebnisse der Versteifungskontur aufgrund unterschiedlicher Zieldefinitionen der Optimierung Gezeigt wird der unbelastete Zustand Schnitt 0X Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 State = 1ms Abhängig von der Abhängig von der gewünschten Zielfunktion gewünschten Zielfunktion bilden sich mehr oder bilden sich mehr oder weniger konstruktiv weniger konstruktiv geeignete Strukturen aus um geeignete Strukturen aus um den Randbedingungen zu den Randbedingungen zu genügen. genügen. Schnitt 150X

10 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 Schnitt 0X Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 Die Deformationen beim Die Deformationen beim State 4ms zeigen aufgrund State 4ms zeigen aufgrund der strukturellen der strukturellen Unterschiede auch Unterschiede auch entsprechend stark entsprechend stark unterschiedliche unterschiedliche Verhaltensweisen auf. Verhaltensweisen auf. Besonders kritisch und Besonders kritisch und Kritikpunkt für die gesamte Kritikpunkt für die gesamte Optimierung ist, die Optimierung ist, die Erkennung von strukturellen Erkennung von strukturellen stabilen Zwischenständen stabilen Zwischenständen (wie in der Abbildung von (wie in der Abbildung von Opt.Nr.0 zu sehen) nicht Opt.Nr.0 zu sehen) nicht einfach ist, und in ihrer einfach State ist, und = 4ms in ihrer Bewertung noch schwieriger Bewertung noch schwieriger zu handeln. zu handeln. Schnitt 150X

11 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 Schnitt 0X State = 8ms Opt. 0 Opt. 1 Opt. 2 Opt. 3 Schnitt 150X

12 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Gezeigt wird der Verlauf der inneren Energie des Versteifungsbleches während der Deformation Die Opt. 0 Variante besitzt die höchste Energie Aufnahme trotz deutlich geringerer sichtbarer Deformation der gesamten Konstruktion. Gezeigte Problematik ist die Gewichtung der Systemantwort von der inneren Energie und der Kontaktkraft und Verschiebung. Die folgenden Diagramme zeigen die inneren Energieverläufe des Die folgenden Diagramme zeigen die inneren Energieverläufe des inneren Versteifungsbleches, der Knotenverschiebungen der Barriere inneren Versteifungsbleches, der Knotenverschiebungen der Barriere und den Kraft-Zeit-Verlauf des Kontaktes zwischen Barriere und und den Kraft-Zeit-Verlauf des Kontaktes zwischen Barriere und Stossfänger. Stossfänger. Deutlich zu erkennen, ist die Entscheidung von LS-OPT entsprechend Deutlich zu erkennen, ist die Entscheidung von LS-OPT entsprechend der gewichteten Zielfunktion in der Struktur des Versteifungsbleches und der gewichteten Zielfunktion in der Struktur des Versteifungsbleches und in den Systemantworten. in den Systemantworten. Obwohl die Systemantworten der Optimierungen 1 bis 3 sich nicht Obwohl die Systemantworten der Optimierungen 1 bis 3 sich nicht vollständig im Verlauf und Betrag unterscheiden, entstehen stark vollständig im Verlauf und Betrag unterscheiden, entstehen stark unterschiedliche Strukturen. unterschiedliche Strukturen. Die Entscheidung des Algorithmus für bestimmte Strukturen mit Die Entscheidung des Algorithmus für bestimmte Strukturen mit unterschiedlichen Anfangsrandebedingungen und eventuell stabilen unterschiedlichen Anfangsrandebedingungen und eventuell stabilen Kontaktbedingungen der Bauteile selbst oder untereinander sind nicht Kontaktbedingungen der Bauteile selbst oder untereinander sind nicht direkt nachzuvollziehen. Diese Erkenntnis der Schwierigkeiten ist aber direkt nachzuvollziehen. Diese Erkenntnis der Schwierigkeiten ist aber schon Wert genug um entsprechend weitere Ansätze zu entwickeln um schon Wert genug um entsprechend weitere Ansätze zu entwickeln um diese Phänomene kontrollierbar zu machen. diese Phänomene kontrollierbar zu machen.

13 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Randbedingungen 0X 150X Opt. 0-3: -35mm 28mm

14 Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Das Kraftniveau ist bei der Opt. 0 Variante erwartungsgemäß sehr hoch dennoch weist auch diese Variante den fast idealen Kraft-Zeit/-Weg-Verlauf auf. Die Variante Opt. 1 zeigt trotz der optisch besten Lösung bei dem 150X Lastfall ein schlechtes Verhalten mit kurzzeitigen Spitzen in der Kraft-Zeit/Weg-Kurve auf (Auftreffen auf die Anschlussgeometrie und erreichen neuer struktureller Stabilität). Randbedingungen 0X 150X Opt kN 60kN

15 Videos Beispiel Nr.2 Optimierung eines Stossfängers Stoss V0 0X.avi Stoss V3 0X.avi Animierte Darstellung des Optimierungsergebnisses von Variante Nr.0 Animierte Darstellung des Optimierungsergebnisses von Variante Nr.3 Stoss V0 150X.avi Stoss V3 150X.avi

16 Beispiel Nr.3 Optimierung einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung Einzellastfall Mit besonderer Vorsicht sind die Mit besonderer Vorsicht sind die FE-Randbedingungen zu beachten FE-Randbedingungen zu beachten welche das Modell beschreiben und welche das Modell beschreiben und charakterisieren. Mit besonderer charakterisieren. Mit besonderer Vorsicht sind die Vorsicht sind die Materialeigenschaften zu beachten, Materialeigenschaften zu beachten, welche direkten Einfluss auf die welche direkten Einfluss auf die Wahl der Struktur besitzen. Wahl der Struktur besitzen. Die Optimierung der inneren Die Optimierung der inneren Versteifungsrippen einer B-Säulen Versteifungsrippen einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung beziehen ähnlichen Verkleidung beziehen sich auf deren Höhe und deren sich auf deren Höhe und deren Wandstärke. Belastet wird die Wandstärke. Belastet wird die Struktur durch eine Halbkugel Struktur durch eine Halbkugel ähnliche Geometrie mit einer ähnliche Geometrie mit einer Geschwindigkeit von ca. 8mm/ms Geschwindigkeit von ca. 8mm/ms und einer Masse von 10 Kg. und einer Masse von 10 Kg. Untersucht werden drei Untersucht werden drei verschiedene Modelle. verschiedene Modelle. Modellunterscheidung: Modellunterscheidung: Nr.1 10mm FE Netz EDAG Nr.1 10mm FE Netz EDAG optimiertes Kunststoffmaterial optimiertes Kunststoffmaterial Optimierungsziele: - Reduzierung der Kontaktkraft zw. Barriere und B-Säulenverkleidungsgeometrie (3 Verschiedene) - Restriktion der Knotenverschiebung in X-Richtung der Barriere - Reduzierung der Masse (Wandstärke) Parameter: - Variation der Rippenwandstärke - Variierung der Rippenhöhe (4 Rippen im Bereich der Belastung) Nr.2 5 mm FE Netz EDAG Nr.2 5 mm FE Netz EDAG optimiertes Kunststoffmaterial optimiertes Kunststoffmaterial Nr.3 5mm FE-Netz nicht Nr.3 5mm FE-Netz nicht optimiertes Kunststoffmaterial optimiertes Kunststoffmaterial Besonderheit: - Wechsel der Elementkantengröße und Materialparameter (5 Parameter)

17 Gezeigt Beispiel werden die Nr.3 Optimierung einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung Gezeigt werden die Deformationen der drei Deformationen der drei Modelle. Modelle. Deutliche Unterschiede sind Deutliche Unterschiede sind in der Deformation und den in der Deformation und den im Versagen (besonders im Versagen (besonders Modell Nr.3) zu sehen. Modell Nr.3) zu sehen. Nr.1 Nr.2 Nr.3 Nr.1 Nr.2 Nr.3 Nr.1 Nr.2 Nr.3 t Nr.1 Nr.2 Nr.3 Nr.1 Nr.2 Nr.3 Nr.1 Nr.2 Nr.3

18 Beispiel Nr.3 Optimierung einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung Systemantworten Die Systemantworten aller 3 Optimierungen unterscheiden sind nur geringfügig. Iterationsanzahl: OPT1 = 10 OPT2 = 9 OPT3 = 12 LS OPT findet trotz unterschiedlicher Randbedingungen die geeignete Parameterkombination um die Zielfunktion zu erfüllen. Die Optimierung bzw. LS- Die Optimierung bzw. LS- OPT ermittelt für alle drei OPT ermittelt für alle drei Modelle fast identische Modelle fast identische Antworten. Diese werden Antworten. Diese werden jedoch auf Kosten großer jedoch auf Kosten großer Unterschiede in der Struktur Unterschiede in der Struktur insbesondere der Dimension insbesondere der Dimension erreicht. erreicht. Die plausibelste Optimierung Die plausibelste Optimierung ist der Optimierung Nr.2 ist der Optimierung Nr.2 zuzusprechen, da hier das zuzusprechen, da hier das EDAG optimierte Material EDAG optimierte Material verwendet wurde und dieses verwendet wurde und dieses mit 1mm/3mm/ und 5mm mit 1mm/3mm/ und 5mm Optimierungen Verifiziert Optimierungen Verifiziert wurde! wurde!

19 Beispiel Nr.3 Optimierung einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung Variablenwerte Wert [mm] 25,00 24,00 23,00 22,00 21,00 20,00 19,00 Variablenwerte der Rippenhöhen OPT 1 OPT 2 OPT 3 Die eindeutigen Unterschiede der Optimierungen Die eindeutigen Unterschiede der Optimierungen (insbesondere zwischen Nr.1/Nr.2 und der Nr.3) zeigen (insbesondere zwischen Nr.1/Nr.2 und der Nr.3) zeigen die Notwendigkeit der Optimierung der essentiellen die Notwendigkeit der Optimierung der essentiellen Grundlagen des geometrischen Verhaltens. D.h., die Grundlagen des geometrischen Verhaltens. D.h., die Materialdefinition und Kenntnis der Materialdefinition und Kenntnis der Skalierungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen FE- Skalierungsmöglichkeiten bei unterschiedlichen FE- Netzgrößen sind zwingend notwendig um erfolgreich Netzgrößen sind zwingend notwendig um erfolgreich und beweisbar strukturellen Optimierung zu betreiben. und beweisbar strukturellen Optimierung zu betreiben. Besonders eindeutig sind die Dimensionalen Besonders eindeutig sind die Dimensionalen Unterschiede der Optimierung. Die Verwendung von Unterschiede der Optimierung. Die Verwendung von unzureichend validierten Materialgesetzen bzw. unzureichend validierten Materialgesetzen bzw. Parametereinstellungen für spezielle Werkstoffe in der Parametereinstellungen für spezielle Werkstoffe in der FEM führen zu nicht realistischen Ergebnissen!!! FEM führen zu nicht realistischen Ergebnissen!!! 18,00 17,00 16,00 15,00 IP 17 IP 5 IP 20 IP 8 Parameter 3,00 Variablenwerte der Rippenwandstärke Optimierungsergebnis muß auf Plausibilität geprüft werden! 2,50 Die robuste Optimierung mit LS-OPT und SFE-Concept ist nur bei geeigneter Modellierung und Materialparameterwahl sinnvoll! Variablenwert [mm] 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 OPT 1 OPT 2 OPT 3 Parameter THICKNESS

20 Beispiel Nr.3 Optimierung einer B-Säulen ähnlichen Verkleidung Opt1_movie Opt2_movie Opt3_movie Opt1_3d_movie Opt2_3d_movie Opt3_3d_movie

21 Änderungsszenarien an einem Seitencrashmodell

22 Diskussion und Ausblick Probleme der Strukturoptimierung Hohe Anzahl an Parametern bei Formoptimierung Resultierend hohe Anzahl an Iterationsschritten bei der Optimierung Schwierige Abschätzung der Plausibilität des Ergebnisses bei kritischen Bauteilen oder ungenügend validierten Materialgesetzen Schnittstellenprobleme zwischen den beteiligten Softwarepaketen keine Garantie des Fehlerausschlusses während der Optimierung vorhanden Ausblick Erfolg der Strukturoptimierung durch topologische Änderungen unterstützen wesentliche Verbesserung der Materialgesetze und deren mechanischen Prüfverfahren (Graustufenkorrelation,...) Verbesserung der Vernetzungsqualität bzw. Verwendung von entsprechenden Skalierungsfaktoren zur Kompensation direkte Einbindung von assoziativen SFE-Concept FE-Modellen in bestehende Berechnungsmodelle Verbesserung der Versagenskriterien und deren Berücksichtigung im Optimierungsprozess... Vielen Dank für die Aufmerksamkeit