Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien

Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Gerhard Lener

Dipl.-Ing. Felix Bertagnolli

1

Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften

Stahlbau und Mischbautechnologie Univ. Prof. Dipl.- Ing. Dr. techn. Gerhard Lener

Ein Algorithmus zur parameterfreien

Formoptimierung und Vergleich mit

kommerziellen Lösungen

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 2

Inhaltsübersicht

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Motivation

3

Optimierung der Form eines Kunststoff-Bedienhebels einer

mechanisch verstellbaren Lenksäule hinsichtlich Festigkeit

Ausgangsgeometrie für die Optimierung

Die Optimierung soll nach Möglichkeit in ANSYS Workbench erfolgen

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Optimierung mittels FEM

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Optimierung mittels FEM

5

„Von Hand“-Optimierung

Parameterorientierte Optimierung

Parameterfreie Optimierung

GeometrieCAD

Model SetupSolution

Post-processing

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Optimierung mittels FEM

6

Parameterorientierte Optimierung

Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt-

und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]

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Optimierung mittels FEM

7

Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der

Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]

Parameterfreie Optimierung

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Optimierung über Temperaturverformungen

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Optimierung über Temperaturverformungen

9

Spannungsanalyse

infolge der Belastung

Verformungsberechnung

der Temperaturbelastung

Geometrie

CAD Setup

Solution

Post

→

Solution

Post

{u,v,w}

Setup

Geometrie

CAD

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Optimierung über Temperaturverformungen

10

Definition der Randbedingungen

der statischen Analyse

Definition der Bereiche

wo die Geometrie nicht

modifiziert werden darf

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Optimierung über Temperaturverformungen

11

Transfer des Modells nach ANSYS APDL

und Angabe der ADPL-Datei für die Optimierung

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Optimierung über Temperaturverformungen

12

! seqv in etable

etable,seqv,s,eqv

! Speichern in S_eqv

*vget,s_eqv(1),elem,1,etab,seqv

! Maximalspannung

esort,seqv

*get,seqvmx,sort,,max

! Temperaturbelastung aufbringen

treff,seqvmx*0.5

*do,iel,1,elmx

bfe,iel,temp,1,s_eqv(iel)

*enddo

! Factor Temperaturverformung

fac=500

upgeo,fac,1,1,temp,rst

save,geo_opt,db

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Optimierung über Temperaturverformungen

13

Ergebnis der Optimierung

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Optimierung über Temperaturverformungen

14

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

v'M

ises

Sp

ann

un

g [

%]

Iterationen

Ergebnis der Optimierung Rückführung der optimierten

Geometrie z.B. FE-Modeler

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Parameterorientierte Gestaltoptimierung

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Parameterorientierte Gestaltoptimierung

16

DS_Angle = 20..150

DS_Thickness = 15..25

DS_Depth = 15..25

DS_LowerRadius = 45..55

Quelle: CADFEM Update Training 12.1

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Parameterorientierte Gestaltoptimierung

17

Initial mass: 752g,

safety factor: 0.546,

Quelle: CADFEM Update Training 12.1

Optimal: 717 g,

safety factor: 1.126

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Parameterorientierte Gestaltoptimierung

18

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien

Parameterorientierte Gestaltoptimierung

19

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

v'M

ise

s S

pa

nn

un

g [

%]

Ma

ss

e [

%]

Iterationen

Optimierung Kranhaken

Seqv [Mpa] Masse [kg]

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 20

Parameterfreie Topologieoptimierung

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Parameterfreie Topologieoptimierung

21

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Parameterfreie Topologieoptimierung

22

Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung

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Parameterfreie Topologieoptimierung

23

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

v'M

ises S

pan

nu

ng

[%

]

Ma

ss

e [

%]

Iterationen

Optimierung Bremshebel

Seqv [Mpa] Masse [kg]

82%

ITER=2

ITER=10

54%

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Parameterfreie Topologieoptimierung

24

ITER=2ITER=10

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Optimierung - Druckgussgehäuse

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien

Optimierung - Druckgussgehäuse

26

Werkstoff: EN AC-42200 T6

Deckel

Gehäuse

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

110%

120%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

v'M

ises

Sp

an

nu

ng

[%

]

Ma

ss

e [

%]

Iterationen

Druckgussgehäuse

Spannung [%] Masse [%]

85%

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Optimierung - Druckgussgehäuse

27

Definition der Randbedingungen in WB

(Named Selections)

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Optimierung - Druckgussgehäuse

28

5

,1

2 1 1 1

,2

180,5

153,6

k

a

a

N N N N 2,24

Erhöhung der ertragbaren Lastspielzahlen

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Optimierung - Druckgussgehäuse

29

Modifizierte Geometrie

Vergleich mit Ausgangsgeometrie

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Zusammenfassung - Ausblick

Motivation für die Entwicklung des Algorithmus

Vorstellung des entwickelten Algorithmus

Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung

Zusammenfassung und Ausblick

Vergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung

Anwendung an einem Druckgussgehäuse

Optimierungsverfahren mittels FEM

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Zusammenfassung

31

Es wurden die gebräuchlichen Verfahren zur Optimierung der

Gestalt und Topologie von vorgestellt und die erzielbaren

Ergebnisse miteinander verglichen.

Von den drei Optimierungsverfahren

„von Hand“

parameterorientierte

parameterfreie

besitzen alle Verfahren Stärken und Schwächen.

Das in ANSYS integrierte Verfahren der Topologieoptimierung liefert

vergleichbare Ergebnisse wie das entwickelte Verfahrung mittels der

Temperaturverformungen.

Das Verfahren der Topologieoptimierung in ANSYS kann jedoch keine

Elemente über den vorgegebenen Bauraum hinaus hinzufügen, das Verfahren

mittels der Temperaturverformungen schlecht Elemente entfernen.

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Zusammenfassung

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Das entwickelte Verfahren erforderte keine zusätzliche Software.

Die Möglichkeiten der Workbenchumgebung lassen sich sinnvoll und

auf ähnlich intuitive Art wie für die übrigen Programmteile nutzen.

Das entwickelte Verfahren bietet Vorteile bei der Definition der

Randbedingungen für die Optimierung und liefert einen raschen Hinweis

auf die Optimierungsmöglichkeit von komplexen dreidimensionalen Bauteilen.

Als Nachteil ist derzeit noch die beschränkte Modifikation der

Ausgangsgeometrie anzusehen. Bei großen Umformgraden

entstehen „schlechte Elemente“, welche den Einsatz limitieren.

Der Markt bietet sehr viel Software zur Bauteiloptimierung. Keines der

Verfahren liefert aber in allen Fällen auf Knopfdruck die optimale Lösung.

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Ausblick und mögliche Weiterentwicklungen

33

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

Einbau von automatischen REZONING / REMESHING

Routinen (z.B. in WB über FE-Modeler)

Verbesserung des Moduls zur Entfernung von

gering beanspruchten Modellbereichen

Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne!

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1120 Wien

Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0

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