Bionik Wirtschaftszentrum. Bionische Optimierung bei der Konstruktion technischer Bauteile in der Automobilindustrie
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- Elvira Gerber
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1 Bionik Wirtschaftszentrum B-I-C Bremen, BIOKON, IBZ, Kompetenznetz Biomimetrik, VDI, DBU 8. und 9. April 2008, Osnabrück Bionische Optimierung bei der Konstruktion technischer Bauteile in der Automobilindustrie Dr. Lothar Harzheim S1-01 VP&S - Optimization and Robust Engineering Adam Opel GmbH Internationales Technisches Entwicklungszentrum, Rüsselsheim
2 Differentialkäfig FE-Modell Achsschenkel Schwingbruch- kritische Stelle? R
3 Spannungsverteilung Achsschenkel Eigenschaft biologischer Kraftträger Lastfall: Kurvenfahrt mit Bremsen Biologische Kraftträger versuchen immer in einen Zustand homogener Oberflächenspannung zu wachsen oder Lastfall: Bordstein- Anrutsch-Test Sie vermeiden jede Art von Kerbspannung
4 Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Astanbindung FE-Modell Biegung Biegung Biegung Biegung
5 Results Research Center Karlsruhe Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Tension
6 Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Adaptive biologische Wachstumsregel Natur Bäume, Knochen Lagere Material an überbelasteten Stellen an Adaptive biologische Wachstumsregel Entferne Material an unterbelasteten Stellen Optimierte Form (homogene Oberflächen- spannung)
7 CAO (Computer Aided Optimization) - Formoptimierung - Wachstumsknoten Formoptimierung CAO (Computer Aided Optimization)
8 Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Spannungsverteilung Kreis Spannungsverteilung optimiert
9 Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe
10 FE-Modell Achsschenkel Natur Bio-Engineering Bäume, Knochen Bauteil Adaptive biologische Wachstumsregel Simulation der Wachstumsregel von Knochen Optimierte Form (homogene Oberflächen- spannung) Optimiertes Bauteil (homogene Oberflächen- spannung)
11 Spannungsverteilung Achsschenkel Differentialkäfig Lastfall: Kurvenfahrt mit Bremsen Spannungsreduktion = 23% Optimiert Lastfall: Bordstein- Anrutsch-Test Schwingbruch- kritische Stelle R Optimiert Spannungsreduktion = 32%
12 Basis Formoptimierung mit CAO Basis Ausgangsmodell Optimierungsergebnis Glättung Endkontur über zwei Kreisbögen Formoptimierung CAO (Computer Aided Optimization) Spannungs- Reduktion = 28% Topologieoptimierung SKO (Soft Kill Option)
13 Soft Kill Option (SKO) Designraum F 1 F 2 Initial Model Bracket for a Gearshift Guide Control Element i Design Proposal E-Modul E max massiv Optimized Final Model E min Loch x new i = x old i x i + s ( σ σ ref ) Designvorschlag: Rauhe Oberfläche 'Verschmierte' Oberfläche
14 Ausgangsmodell eines Motorhalters Topologieoptimierung Spannungsverteilung Designvorschlag Designraum
15 Umsetzung Motorhalters des mit Designvorschlags optimiertem Querschnitt Querschnitt des Motorhalters Vorher Optimiert Spannungsreduktion = 52%
16 Gegenüberstellung der Produktentwicklungsprozesse Konventioneller Prozeß Verbesserter Prozeß
17 Verbesserter Designprozess Control Arm Front Axle FEM-Mesh Mesh of Design Space Design Space
18 Control Arm Front Axle Topologieoptimierung (SKO) TopShape Result of Topology optimization (SKO) Final Design Löcher Fachwerkstrukturen TOSCA Keine Löcher Benutzerdefinierte minimale Wandstärke t min Hohlstrukturen Hinterschnitte Vorgeschriebene Entformungsrichtung (Wachstumsrichtung) OptiStruct TOSCA
19 Aluminium Achsschenkel Designraum Designvorschläge Topologie- optimierung (SKO) Entformungs- richtung TopShape
20 TopShape Umsetzung Designvorschlag Control Arm Front Axle FEM-Mesh Mesh of Design Space Design Space
21 Control Arm Front Axle Control Arm Front Axle Result of Topology optimization (SKO) Final Design Result of Topology optimization with cast constraints (TopShape) Final Design
22 Geglätteter Designvorschlag Rippenoptimierung mit Hilfsmodell λ = 0.09 λ = Vorgeschriebene Entformungsrichtung Vorgeschriebene Entformungsrichtung TopShape mit unidirektionaler Wachstumsrichtung Enddesign
23 Die Vergleich 3 schlimmsten mit Topologieoptimierung Lastfälle TopShape Rippen Hoch belastete Bereiche Lcd 7 Lcd 8 Lcd 9 Design Modifikationen Topologieoptimierung (SKO) traditionell neu Lcd 7 Lcd 8 Lcd 9
24 Designraum eines Motorhalters TopShape Ergebnis unidirektional TopShape Ergebnis bidirektional
25 Zusammenfassung Wachstumsregel CAO Formoptimierung Feinoptimierung, genaue Anpassung, Optimierung lokaler Schwachstellen SKO Topologieoptimierung Löcher in Bauteilen Optimale Merkmale von Gussteilen TopShape Incl. Fertigungsrestriktionen für Gussteile nahe am Enddesign einfacher zu interpretieren neue alternative Designs
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