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Motivation für die Entwicklung des Algorithmus Vorstellung des entwickelten Algorithmus Vergleich mit parameterfreien Topologieoptimierung Zusammenfassung und AusblickVergleich mit parameterorientierter Gestaltoptimierung Anwendung an einem Druckgussgehäuse Optimierungsverfahren mittels FEM
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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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 4
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
5
„Von Hand“-Optimierung
Parameterorientierte Optimierung
Parameterfreie Optimierung
GeometrieCAD
Model SetupSolution
Post-processing
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
6
Parameterorientierte Optimierung
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der Gestalt-
und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung mittels FEM
7
Sauter, Mulfinger, Muller: Neue Entwicklungen im Bereich der
Gestalt- und Topologieoptimierung; FE-Design, Karlsruhe [1992]
Parameterfreie Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 8
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
9
Spannungsanalyse
infolge der Belastung
Verformungsberechnung
der Temperaturbelastung
Geometrie
CAD Setup
Solution
Post
→
Solution
Post
{u,v,w}
Setup
Geometrie
CAD
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
10
Definition der Randbedingungen
der statischen Analyse
Definition der Bereiche
wo die Geometrie nicht
modifiziert werden darf
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
11
Transfer des Modells nach ANSYS APDL
und Angabe der ADPL-Datei für die Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung über Temperaturverformungen
13
Ergebnis der Optimierung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 15
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterorientierte Gestaltoptimierung
17
Initial mass: 752g,
safety factor: 0.546,
Quelle: CADFEM Update Training 12.1
Optimal: 717 g,
safety factor: 1.126
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
21
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
22
Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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%
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Parameterfreie Topologieoptimierung
24
ITER=2ITER=10
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 25
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%
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
27
Definition der Randbedingungen in WB
(Named Selections)
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Optimierung - Druckgussgehäuse
29
Modifizierte Geometrie
Vergleich mit Ausgangsgeometrie
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien 30
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
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
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.
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Zusammenfassung
32
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.
ANSYS Conference - 22.- 23. April 2010, Wien
Ausblick und mögliche Weiterentwicklungen
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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!
CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14
1120 Wien
Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0
E-Mail. [email protected]
Web. http://www.cadfem.at
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