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
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Inhalt 1. TOPOLOGIE-OPTIMIERUNG 2. BEISPIEL: RADTRÄGER Quelle: FE-DESIGN 3. BEISPIEL: BIKE-VORBAU 4. AUSBLICK
Teil 1 TOPOLOGIE-OPTIMIERUNG Quelle: FE-DESIGN
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
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
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)
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. 30-45
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
Teil 2 BEISPIEL RADTRÄGER
Inhalt Überblick Formula Student Anforderungen an das Bauteil Bauraummodell Optimierungsläufe Einfluss auf das endgültige Bauteil Fazit 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 10
Formula Student Der grösste Studentische Ingenieurswettbewerb der Welt Mehr als 500 Teams ca. 100 Elektro-Teams 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 11
Zielsetzung Formula Student Produktzyklus komplett selbst gestalten Von A wie Konzeptfindung Bis Z wie Testphase Gefragt sind: Kreative Lösungen und kritisches Denken Zeitmanagement Sponsorenakquise 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 12
Formula Student An der ETH Zürich entsteht jedes Jahr ein neuer Rennwagen für die Formula Student 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 13
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 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 14
Bauraummodell 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 15
Bauraummodell 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 16
Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 10 % 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 17
Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 15 % 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 18
Resultat der Optimierungsläufe Controller basierter Algorithmus Mit einem Zielvolumen von 10 % und der Vorgabe einer Entformungsrichtung 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 19
Einfluss auf das endgültige Bauteil 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 20
Einfluss auf das endgültige Bauteil 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 21
Fazit Direkte Übernahme des Resultates meist nicht ohne Anpassungen möglich Setzt gut bekannte Lastfälle voraus Gutes Mittel um Ideen für neue Geometrien zu bekommen 23.04.2013 Akademischer Motorsportverein Zürich Pascal Fischer 22
Teil 3 BEISPIEL: BIKE-VORBAU
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: www.bmc-racing.com
Projekt: Idee Startpunkt: konventioneller Vorbau Ziel: Gewicht minimieren Kriterien: Steifigkeit Belastungstests Weg: Finite Elemente Analyse Topologieoptimierung Rapid Prototyping
Projekt: Umsetzung FE-Modell 1. CAD-Modell 2. Finite Elemente Modell 3. Lasten und Randbdg.
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
Projekt: Umsetzung Ergebnisse der FEM Analyse Material: Stahl 1.4542, gehärtet E-Modul 199 GPa; R p0.2 1135 MPa; R m 1300 MPa Maximale Gesamtverformung: Vorwärtsbelastung: 0.18 mm Torsionsbelastung: 0.42 mm MPa Vergleichsspannungen bei Torsionsbelastung
Projekt: Umsetzung Topologie-Optimierung I Definieren des Bauraumes Definieren des Designraumes Definieren von Optimierungs- Randbedingungen (RB) z.b. für Fertigung, Symmetrie
Projekt: Umsetzung Topologie-Optimierung II Optimierungs-Randbedingungen: frozen Ziel: maximale Steifigkeit Optimierungs-Randbedingung: Volumen = 13 % Designraum (Original 14%)
Substeps Projekt: Umsetzung
Projekt: Umsetzung Ergebnisse der Topologie-Optimierung Gewicht: - 7%, Aufwand einige Tage Aussenradius des Bauraumes wurde ausgenutzt Seite Oben Vorne
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:
Projekt: Umsetzung Umsetzung mit Rapid-Prototyping Quelle: FE-DESIGN
Projektstand heute Projekt: Umsetzung
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
Teil 4 AUSBLICK
Weitere Optimierungsmöglichkeiten Querlenker von Audi Redesign Existing design 100 80 60 Cutting splines Topology optimization Design space model 40 20 Quelle: FE-DESIGN 0 Weight Max. stress Max. displacement Existing design New design
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