Intelligenter Leichtbau durch neue Topologieoptimierung fur Betriebsspannungen und plastisches Materialverhalten Zur Optimierung von Fahrwerks- und Autokomponenten

摘要

Zukunftige individuelle Mobilitat fordert auch fur die Automobilbranche - gerade vor dem Hintergrund stetig steigender Gesetzesanforderungen speziell bei CO_2-Emissionen - erhohte Anstrengungen in der Fahrzeugkonstruktion, um leichtere Fahrzeuge mit reduziertem Schadstoffausstoss zu produzieren. Dadurch werden ebenso fur die Entwicklung von Fahrwerksbauteilen stetig hohere Gewichtseinsparungen benotigt. Auf Grund des intensiven Wettbewerbs sollen niedrigere Bauteilgewichte mit sinkenden Bauteilkosten unter Einhaltung von vielfaltigen technischen Anforderungen einhergehen. Fur diesen Zielkonflikt werden neue Losungswege eingeschlagen. Bei Gussbauteilen hat sich in den letzten Jahren die Topologieoptimierung zur Erreichung dieser komplementaren Ziele durchgesetzt. Kommerzielle Programme basieren meistens auf dem "Solid Isotropic Microstructure with Penalisation (SIMP)"-Ansatz. Entscheidend zur erfolgreichen Verbreitung in der Industrie war die Implementierung von Fertigung-Restriktionen wie Mindestwandstarken oder Auszugsrichtungen. Trotzdem ist es heute lediglich eingeschrankt moglich, Spannungen gegen Streckgrenzen auszulegen bzw. nichtlineare Effekte zu berucksichtigen. Insbesondere plastische Materialeigenschaften in Kombination mit geometrisch nichtlinearem Verhalten konnen nur ungenugend abgebildet werden. Um diese Effekte innerhalb einer Optimierung moglichst einfach zu berucksichtigen, wurde ein neues Verfahren entwickelt. Durch eine diskrete Materialverteilung - Elemente sind innerhalb der "Finite Element Methoden (FEM)"-Rechnungen nur "vorhanden" oder "nicht vorhanden" - konnen Spannungen und plastisches Materialverhalten, auch in Kombination mit geometrisch nichtlinearem Verhalten, realistisch simuliert werden. Je nach Lastfall lassen sich Grenzen fur Spannungen, plastische Dehnungen, Verschiebungen und Reaktionskrafte definieren. Der Optimierungsalgorithmus wird das Gewicht so lange minimieren, bis diese Vorgaben an ihre Grenzen gefuhrt worden sind. Der dazugehorige Optimierungsmechanismus dazu funktioniert einfach. Welche FEM-Elemente erganzt bzw. entfernt werden, wird - wie bei anderen bionisch motivierten Verfahren, z.B. der "Soft Kill Option (SKO)" - uber die Spannungen entschieden. An den hochstbelasteten Stellen wird Material angelagert, an den niedrig belasteten wird Material entfernt. Nach der Festlegung der zu verandernden Regionen wird uber eine Schrittweitensteuerung festgelegt, wie viele Elemente erganzt bzw. reduziert werden. Die Veranderungen der Nebenbedingungen, z.B. die maximal erlaubten Verschiebungen, steuern die Schrittweiten. So werden z.B. bei konstanten Nebenbedingungen zu Beginn der Optimierung wesentlich mehr Elemente entfernt als erganzt. Spater reduziert sich die Summe an Element-Veranderungen und es werden deutlich mehr Elemente hinzugefugt als entfernt. In den Verfahren wurden ebenfalls Fertigungsrestriktionen implementiert und Erweiterungen vorgenommen, um mehrere Lastfalle gleichzeitig optimieren zu konnen.