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euroLite: Leichter & effizienter - wie simulationsbasierte Optimierung den Konstrukteur unterstützt „Simulation driven design“ – dieser Slogan ist heutzutage zwar in aller Munde, in der Praxis beschränkt sich die Rolle der Simulation jedoch nicht selten allein auf das Nachprüfen bereits ermittelter Ergebnisse. „Topologieoptimierung“ - intelligent eingesetzt verkürzt Konstruktionszeiten vom Automobilbau über die Zulieferindustrie, die Nutzfahrzeugtechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Windenergie, den Maschinenbau, bis zur Verfahrenstechnik.
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Copyright © 2010 Umweltdienstleister
Leichtbaudesign für Simulanten
Juni 2010
euroLite: Leichter & effizienter - wie simulationsbasierte Optimierungden Konstrukteur unterstützt
"Simulation driven design" - dieser Sloganist heutzutage zwar in aller Munde, in derPraxis beschränkt sich die Rolle derSimulation jedoch nicht selten allein aufdas Nachprüfen bereits ermittelterErgebnisse. "Topologieoptimierung" - intel-ligent eingesetzt verkürzt Konstruktions-zeiten vom Automobilbau über die Zuliefer-industrie, die Nutzfahrzeugtechnik, die Luft-und Raumfahrt, die Windenergie, denMaschinenbau, bis zur Verfahrenstechnik.
Moderne simulationsbasierte Optimierungsmethodengeben dem Konstrukteur bereits in der Entwurfs- undKonzeptphase voroptimierte Designvorschläge, die hin-sichtlich der Materialausnutzung über das Gesamtbauteilbetrachtet wesentlich näher an die zulässigen Grenzenkommen. Dies ist keineswegs mit einer lokal höherenKerbspannung (Konzentration von Spannungen verur-sacht durch Kraftumlenkungen) verbunden. Im Gegen-teil, das eingesetzte Material wird in seiner Gesamtheithomogener und somit besser ausgenutzt. Dies führt ins-gesamt zu einer deutlichen Materialeinsparung und zustabilen Leichtbaukonstruktionen.
"Neben Anfragen aus der Industrie und Forschung,unterstützen wir die Entwicklungsarbeiten bereits in derFindungsphase. Dank der virtuellen Produktentwicklungund numerischen Simulation können so Entwicklungs-zeiten bei optimierter und strömungstechnisch verbes-serter Leichtbauweise verkürzt werden", berichtet Dr.Jürgen Sauter, Geschäftsführer FE-Design GmbH. "Inden letzten Jahren haben wir uns vermehrt bei der tech-nologie- und materialoffenen Designgestaltung imBereich der erneuerbaren Energien etablieren können.Hilfreich dabei ist auch der gemeinsam mit dem Bundes-ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung undTechnologie und dem Projektträger für Produktion undFertigungstechnologien gegründeten Industriearbeits-kreis mit dem Thema "Strukturoptimierung", fügt Sauteran.
Die zugrunde liegende Methode nennt sich "Topologie-optimierung", d.h. die Optimierung der Materialverteilungin einem vorgegebenen Bauraum. Mittlerweile sindsowohl die Softwarehandhabung als auch die Möglich-keiten zum Einführen von herstellbedingten Eigen-schaften (wie z.B. eine Entformbarkeit für Guss- oderSchmiedebauteile) sowie die Datenübernahme ins CAD-System soweit fortgeschritten, dass die Qualität der aufdiese Weise ermittelten Designvorschläge sehr gut ist.
Am Ende des Optimierungsprozesses, der noch vor derersten Detailkonstruktion stattfinden kann, ist es dieAufgabe des Konstrukteurs, den hinsichtlich desGewichts oder anderen Kriterien voroptimierten Design-vorschlag in ein auskonstruiertes, fertigungsgerechtesBauteil zu überführen.
Die Optimierungsergebnisse sind hinsichtlich desGewichts deutlich besser als konventionell generierteBauteilgeometrien, die z.B. auf Basis von Ähnlichkeits-konstruktionen erzeugt werden. Insgesamt wird derEntwicklungszyklus von Bauteilen deutlich verkürzt, weilbereits der erste Designvorschlag aus der Topologie-optimierung alle maßgeblichen Anforderungen erfüllt.
Simulationsbasierte Optimierungsmethoden sind in ihrenAnwendungsfeldern sehr vielschichtig und werden inden unterschiedlichsten Branchen vom Automobilbauüber die Zulieferindustrie, die Nutzfahrzeugtechnik, dieLuft- und Raumfahrt, die Windenergie, den Maschinen-bau, die Medizintechnik, den Konsumerbereich bis zur
Verfahrenstechnik eingesetzt. Die Bauteilgröße reichtdabei von Mikrostrukturen bis zu tonnenschwerenGusskonstruktionen. Verwendete Materialien sind Stahl,Guss, Aluminium, Kunststoffe oder Elastomere. Nebender Optimierung auf Gewicht und Steifigkeit sind imStrukturbereich auch dynamische und akustischeEigenschaften von Relevanz. Bei flüssigen und gasför-migen Medien sind Druckverluste, Wärmeübergänge,Geräusche und Schmutzablagerung wichtige Produkt-eigenschaften, welche durch eine simulationsgetriebeneOptimierung verbessert werden können. Die nachfolgen-den Bilder zeigen einen Ausschnitt aus erfolgreich abge-schlossenen Projekten, in denen FE-DESIGN seinenKunden helfen konnte, schneller und kostengünstigerbessere Produkte zu entwickeln.
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Anwendungsbereiche:
Windkraftanlagen
Die Maschinenträger, die Naben, die Getriebe, dieRotorblätter und viele andere Bauteile sollen kostengün-stig produzierbar sein und außerdem eine langeLebensdauer und eine hohe Belastbarkeit aufweisen.
Motorenbau
FE-DESIGN hilft die Umwelt zu entlasten. ImMotorenbau gilt es eine Vielzahl oft konträrer Ziel- setzungen zu verwirklichen. Gefordert sind eine hoheMotorleistung bei geringem Kraftstoffverbrauch - unterBerücksichtigung strenger Emissionsgrenzwerte. Das
Beispiel zeigt die strö-mungsbasierte Topo-logieoptimierung einerLadeluftleitung mit demZiel, durch einen mög-lichst geringen Druck-abfall eine hohe Leist-ung sicherzustellen.Aufgrund geometri-scher Restriktionen warder Bauraum fest vor-gegeben. Mit speziel-len Technologien vonFE-DESIGN wurde einmodifizierter Design-vorschlag ermittelt, dereine Reduktion desDruckabfalls um 20%bewirkt und dabei dasVolumen um lediglich3% verändert.
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New design proposal after topolo-gy optimization
Abb. 2: Optimierung des Druckabfalls einer Ladeluftleitung © with courtesy of Adam Opel GmbH
Immer höher und größer, aber gleichzeitig immer leichter und steifer - die Anforderungen an leistungsstarke,moderne Windenergieanlagen sind sehr vielschichtig. FE-DESIGN hilft vielen nationalen und internationalenWindanlagenproduzenten und seinen Zulieferern diese Herausforderungen zu bewältigen und neue Anlagen der5-7 MW Klasse zu entwickeln.
Abb.1: Optimierung eines Maschinenträgers für Windenergieanlagen
Medizintechnik - Hörgeräteakustik
Eine optimale Weiterleitung undVerarbeitung möglichst authentischerakustischer Signale, die Vermeidungvon unerwünschten Nebengeräuschenund Rückkopplungen sind neben einerverbesserten Hörleistung insbesondereim Hochfrequenz-Bereich wichtigeEigenschaften, die bei der Entwicklungvon Hörgeräten zu berücksichtigensind. FE-DESIGN konnte dabei helfen,das akustische Übertragungsverhaltendeutlich zu verbessern. Durch eineTopologieoptimierung des Klangkörperskonnte der Schalldruck, der sowohldurch die Aufnahme von Außenge- räuschen sowie durch Nebengeräusche(Schwingungen, die vom Empfängerausgehen) auf die Mikrophone entsteht, erheblich redu-ziert werden. Die Klangreinheit wurde um ein Vielfachesoptimiert.
Automobilindustrie -Antriebstrang
FE-DESIGN unterstütztnicht nur die großenAutomobilbauer wie z.B.Volkswagen, Audi, Daimler,BMW, Ford, MAN oderToyota, sondern auch ver-schiedene Rennteams ausder Formel 1 sowie universi-täre Rennteams. Jährlichnehmen 270 universitäreTeams am Konstruktions-wettbewerb "FormulaStudent / Formula SAE" teil.Hier zählen neben derLeistung ganz erheblich auch Gewicht und Verbrauchs-effizienz. Über FE-DESIGN GmbH
FE-DESIGN ist weltweit führender Partner für Dienst- leistungen und Software im Bereich der Simulation, Automatisierung und Optimierung. Mit zukunftsweisen-den Lösungen unterstützt FE-DESIGN seine Kunden, inden unterschiedlichsten Industriebereichen einen ent-scheidenden Wettbewerbsvorsprung zu erzielen. FE-DESIGN hat seinen Firmensitz in Karlsruhe sowieweitere Standorte in Europa und ist durch autorisierteVertriebspartner in Asien, Süd- amerika und in den USAinternational vertreten. Ein Team von erfahrenen Spezia-listen stellt Ihnen professionelle Dienstleistungen undausgereifte Softwarelösungen zur Verfügung, um allePhasen der Produktentwicklung optimal zu gestalten.
www.fe-design.de
http://ak.fe-design.de/
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© With courtesy of GN Resound
Abb.3: Optimierung des akustischen Übertragungsverhalten in Hörgeräten
Abb. 4: Entwicklung und Optimierung eines Antriebstrangs im MonocoqueKIT09 © with courtesy of KaRacing e.V
FE-DESIGN auf der euroLite 2010
Besuchen Sie uns auf der euroLite vom 08.06. - 10.06.2010in Nürnberg (Forum). Wir stellen Ihnen ausgereifte Lösungen und Services ausden Bereichen Simulation, Optimierung und Automati- sierung vor die Sie dabei unterstützen, wettbewerbsfähigeProdukte noch effizienter und ressourcenschonender zuentwickeln.
Im Rahmen eines Fachvortrages am 08.06.2010 präsentie-ren wir Ihnen erprobte Methoden, mit denen sichLeichtbaukonstruktionen innerhalb kürzester Zeitintervalleentwickeln lassen.http://www.hundkmesse.de/fileadmin/euroLITE/2010/Kongressprogramm_2010.pdf
Bilder:FE Design/Titelbild: Agenturfür Erneuerbare Energien
Durch den Einsatz von simulati-onsbasierten Optimierungs-methoden (Topologie- undGestaltoptimierung) wurde dasTeam des Karlsruher Institute ofTechnology (KIT) bei der Kon-struktion von Bauteilen für ihren"Monocoque KIT09" unterstützt.
Das entwickelte Antriebsstrang-element musste bei geringst-möglichem Gewicht maximaleLeistung übertragen und gleich-zeitig schnell und einfach her-stellbar sein.
