Bei Gussbauteilen hat sich in den letzten Jahren die Topologieoptimierung zur Erreichung niedrigerer Bauteilgewichte mit sinkenden Bauteilkosten unter Einhaltung von vielfältigen technischen Anforderungen durchgesetzt. Kommerzielle Programme basieren meistens auf dem "Solid Isotropie Microstructure with Penalisation (S/MP)"-Ansatz. Entscheidend zur erfolgreichen Verbreitung in der Industrie war die Implementierung von Fertigung-Restriktionen wie Mindestwandstärken oder Auszugsrichtungen. Trotzdem ist es heute lediglich eingeschränkt möglich, Spannungen gegen Streckgrenzen auszulegen bzw. nichtlineare Effekte zu berücksichtigen. Insbesondere plastische Materialeigenschaften in Kombination mit geometrisch nichtlinearem Verhalten können nur ungenügend abgebildet werden. Um diese Effekte innerhalb einer Optimierung möglichst einfach zu berücksichtigen, wurde ein neues Verfahren entwickelt. Durch eine diskrete Materialverteilung - Elemente sind innerhalb der "Finite Element Methoden (FEM)"-Rechnungen nur "vorhanden" oder "nicht vorhanden" - können Spannungen und plastisches Materialverhalten, auch in Kombination mit geometrisch nichtlinearem Verhalten, realistisch simuliert werden. Je nach Lastfall lassen sich Grenzen für Spannungen, plastische Dehnungen, Verschiebungen und Reaktionskräfte definieren. Der Optimierungsalgorithmus wird das Gewicht so lange minimieren, bis diese Vorgaben an ihre Grenzen geführt worden sind. Der dazugehörige Optimierungsmechanismus dazu funktioniert einfach. Welche FEM-Elemente ergänzt bzw. entfernt werden, wird - wie bei anderen bionisch motivierten Verfahren, z.B. der "Soft Kill Option (SKO)" - über die Spannungen entschieden. An den höchstbelasteten Stellen wird Material angelagert, an den niedrig belasteten wird Material entfernt. Nach der Festlegung der zu verändernden Regionen wird über eine Schrittweitensteuerung festgelegt, wie viele Elemente ergänzt bzw. reduziert werden. Die Veränderungen der Nebenbedingungen, z.B. die maximal erlaubten Verschiebungen, steuern die Schrittweiten. In den Verfahren wurden ebenfalls Fertigungsrestriktionen implementiert und Erweiterungen vorgenommen, um mehrere Lastfälle gleichzeitig optimieren zu können.

    Future vehicle-based mobility forces more efforts in car design to produce lighter cars with less emissions, especially in the case of governmental regulations for CO2-emissions. Accordingly on the component part level, the development of chassis parts is requested to save more and more weight. Due to the strong competition less weight has to be combined with less cost and the fulfillment of all technical requirements. For this target conflicts, new solutions have been developed. In the design of casting parts, the topology optimization becomes the main tool and method to reach these complementary targets. Current commercial tools are normally based on the "Solid Isotropic Microstructure with Penalization (SIMP)" approach. A key for the intensive application in the industry was the implementation of manufacturing restrictions, like casting directions and minimal material strength. However with this approach, it is not possible to consider constraints for stress values and nonlinear effects. Especially plastic material behavior in combination with geometric nonlinear effects cannot be calculated accurately. To consider these effects inside an optimization loop, a new method has been developed. Based on a discrete material modeling, only two states - "available" and "not available" - are used for the "Finite Element Analysis" (FEA). Stress responses and plastic material behavior can be simulated realistically. The algorithm minimizes the volume under consideration of all constraints. The lowest stressed elements are removed from the structure and new elements are arranged around the highest stress regions. The progress of the constraint controls the number of modified elements. If one constraint is violated or the structure gets disconnected, more elements will be corrected and lesselements are reduced. If a constraint de- or increases below a limit, more elements are removed.


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    Title :

    Intelligenter Leichtbau durch neue Topologieoptimierung für Betriebsspannungen und plastisches Materialverhalten. Zur Optimierung von Fahrwerks- und Autokomponenten


    Contributors:


    Publication date :

    2012


    Size :

    18 Seiten, 15 Bilder, 18 Quellen




    Type of media :

    Conference paper


    Type of material :

    Print


    Language :

    German






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