Beschreibung

Bild 1: Optimierungsschleife (Mausklick auf Bild zum Wechseln)

Die Bedeutung der rechnergestützten Simulation nimmt im modernen Entwicklungsprozess mechanischer Systeme kontinuierlich zu. Mit Hilfe von Analysen in Mehrkörper- bzw. Finite-Elemente-Systemen, sowie Lebensdauerberechnungen, können schon in einer relativ frühen Entwicklungsphase Aussagen über das Systemverhalten und die Systemeigenschaften gemacht werden. So ergibt sich die Möglichkeit den Entwicklungsprozess virtuell zu begleiten, zu steuern und anforderungsgerechte Konstruktionsentwürfe vorzuschlagen.

Als wichtiges Werkzeug zur anforderungsoptimalen Auslegung von Systemkomponenten (Bauteilen) dient die Strukturoptimierung. Diese kann dadurch charakterisiert werden, dass ein mathematischer Optimierungsalgorithmus die Geometrie eines zu optimierenden Bauteils bezüglich gegebener Anforderungen verändert. Abhängig vom Grad des Eingriffs in die Bauteilgeometrie, kann die Strukturoptimierung in die verschiedenen Klassen Topologieoptimierung, Gestaltoptimierung und Dimensionierung eingeteilt werden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die Struktur- und hier insbesondere die Topologieoptimierung in einen gekoppelten Simulationsprozess zu integrieren und den Einfluss der Bauteil-Strukturoptimierung auf das mechanische Gesamtsystem zu untersuchen. Im Speziellen sollen zunächst Gestalt- und später Topologieoptimierungen hinsichtlich der Maximierung der Lebensdauer durchgeführt werden. Dabei sollen u.a. Steifigkeitsnebenbedingungen eingehalten werden, denn oft haben die zu optimierenden Bauteile auch tragende Funktion im mechanischen Gesamtsystem.

Der hier vorgestellte Optimierungsprozess baut auf einem konventionellen Prozess auf. Der konventionelle Prozess kann in die folgenden Funktionsblöcke unterteilt werden: Die Mehrkörpersimulation liefert die auf das zu optimierende Bauteil wirkenden Lasten. Mit Hilfe der Finite-Elemente-basierten Lebensdauerberechnung werden lebensdauerkritische Bauteilorte identifiziert. Auf diesen Bauteilorten arbeitet die Strukturoptimierung, welche deren Geometrie hinsichtlich einer Lebensdauermaximierung modifiziert. Änderungen an der Bauteilgeometrie hab ihrerseits Auswirkungen auf das dynamische Verhalten des Gesamtsystems, weshalb die Strukturoptimierung auch in der Mehrkörpersimulation zu berücksichtigen ist und dort Nebenbedingungen einhalten muss.

Eine neuartige Weiterentwicklung dieses Prozesses besteht darin, die Lebensdauerberechnung als Schädigungsberechnung in die Mehrkörpersimulation zu integrieren. Dafür ist eine vorgeschaltete Spannungsberechnung zur Laufzeit des Mehrkörpersystems erforderlich. Auf diese Weise können die lebensdauerkritischen Bauteilorte direkt aus der Mehrkörpersimulation gewonnen werden und zusammen mit den Nebenbedingungen an den Strukturoptimierungsalgorithmus übergeben werden. Verglichen zum konventionellen Prozess sinkt dadurch die Anzahl der Schnittstellen und Funktionsblöcke, ein Performanz-Gewinn hinsichtlich Rechenzeit und Dateigrössen kann erreicht werden.

Video 1: Zeitabhängige Spannungsverteilung für ein ebenes Dreikörperpendel	Bild 2: Spannungsverlauf und Schädigungswachstum in einem exemplarischen Knoten	Video 2: Ergebnisse einer Gestaltoptimierung

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• Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. P. Eberhard