34
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

Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

Embed Size (px)

DESCRIPTION

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

Citation preview

Page 1: 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

Page 2: 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

Page 3: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 4: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 5: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Optimierung mittels FEM

5

„Von Hand“-Optimierung

Parameterorientierte Optimierung

Parameterfreie Optimierung

GeometrieCAD

Model SetupSolution

Post-processing

Page 6: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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]

Page 7: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 8: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 9: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 10: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 11: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 12: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 13: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Optimierung über Temperaturverformungen

13

Ergebnis der Optimierung

Page 14: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 15: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 16: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 17: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 18: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Parameterorientierte Gestaltoptimierung

18

Page 19: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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]

Page 20: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 21: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Parameterfreie Topologieoptimierung

21

Page 22: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Parameterfreie Topologieoptimierung

22

Shape Optimization (ANSYS ) Temperaturverformung

Page 23: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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%

Page 24: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Parameterfreie Topologieoptimierung

24

ITER=2ITER=10

Page 25: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 26: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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%

Page 27: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Optimierung - Druckgussgehäuse

27

Definition der Randbedingungen in WB

(Named Selections)

Page 28: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 29: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Optimierung - Druckgussgehäuse

29

Modifizierte Geometrie

Vergleich mit Ausgangsgeometrie

Page 30: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Page 31: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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.

Page 32: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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.

Page 33: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

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

Page 34: Ein Algorithmus zur parameterfreien Formoptimierung und Vergleich mit kommerziellen Lösungen

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

Immer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-Channel

CADFEM Blog - Umfassend informiert

• News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new?

• Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr

• Hinter den Kulissen: CADFEM intern

CADFEM Youtube Channel - Tips & Trick

• Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM Applications

CADFEM auf Xing - News kompakt

• Vorschau auf Events & Seminare

• Neue CADFEM Produkte

• CADFEM Jobbörse

Fragen? Interesse?