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48,80 €ISBN 978-3-8440-6818-4Paperback176 Seiten65 Abbildungen251 g21 x 14,8 cmDeutschDissertation
Juli 2019
Daniel Billenstein
Finite-Elemente-Strategien zur Berücksichtigung des elastischen Umfeldes in der Topologieoptimierung
Beitrag zur steifigkeitsoptimierten Auslegung von Antriebstechnikkomponenten auf Basis von Z88
Die fortschreitende Schwerpunktsverlagerung von einer ursprünglich versuchsbasierten hin zu einer simulationsgetriebenen Produktentwicklung mithilfe der Finite Elemente Analyse und der darauf aufbauenden Topologieoptimierung eröffnet bereits im Stadium der Konzeptfindung von Bauteilen die Möglichkeit, weitestgehend realitätsnahe Aussagen über deren physikalische Eigenschaften - und damit auch eventuell vorhandene Verbesserungspotentiale - treffen zu können.
Die isolierte Betrachtung von einzelnen Bauteilen ist dabei jedoch oftmals aufgrund der fehlenden Interaktion mit benachbarten Komponenten - dem sogenannten elastischen Umfeld - nicht realitätsnah.
Deshalb wurde hierfür im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein eigener Lösungsansatz zur umfeldgestützten Komponentenoptimierung auf Basis des FE-Systems Z88 erarbeitet und entsprechende FE-Modellierungsstrategien umgesetzt.
Der in Z88 berechenbare Detaillierungsgrad reicht dabei je nach Modellierungsvariante (Kontakt- oder Koppelbedingungen) von der alleinigen Abbildung des globalen Systemverhaltens bis hin zur Auflösung lokaler Effekte innerhalb der Kontaktzone.
Die Effizienz dieser Anbindungsstrategien wird dabei über sogenannte statische Reduktionsalgorithmen garantiert, die auf Basis von mathematischen Umformulierungen die Ordnung des elastischen Umfeldes bei gleicher Abbildungsqualität verringern können.
Diese umgesetzte, durchgehende Berechnungskette - von der effizienten FE-Baugruppenmodellierung mit Z88 bis hin zur Integration dieser Konzepte in einen Z88-Optimierungsprozess - wurde basierend auf den Ergebnissen mehrerer Parameterstudien so kalibriert, dass sowohl numerische als auch Abbildungsfehler - zum Beispiel in Gestalt von Kontaktsteifigkeits-Stegen - vermieden werden können.
Das Potential dieser eigenentwickelten umfeldgestützten Komponentenoptimierung als ein effizientes Werkzeug im konstruktiven Leichtbau wurde abschließend an dem elastisch gelagerten Pleuel des Zweitakt-Motors (Entwurf nach Rieg) aufgezeigt.
Dabei wurden die in Z88 umgesetzten FE-Strategien zur effizienten Berücksichtigung des elastischen Umfeldes (hier in Gestalt der Motorbaugruppe: Gehäuse, Kurbelwelle, usw.) sowie die dafür ermittelten Handlungsempfehlungen auf ihre Praxistauglichkeit überprüft.
Die Designvorschläge der isolierten und umfeldgestützten Komponentenoptimierung bestätigen schließlich die bei ähnlichem Berechnungsaufwand insgesamt realitätsnähere Modellbildung der eigenentwickelten umfeldgestützten gegenüber der klassischen isolierten Komponentenoptimierung.
Die isolierte Betrachtung von einzelnen Bauteilen ist dabei jedoch oftmals aufgrund der fehlenden Interaktion mit benachbarten Komponenten - dem sogenannten elastischen Umfeld - nicht realitätsnah.
Deshalb wurde hierfür im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein eigener Lösungsansatz zur umfeldgestützten Komponentenoptimierung auf Basis des FE-Systems Z88 erarbeitet und entsprechende FE-Modellierungsstrategien umgesetzt.
Der in Z88 berechenbare Detaillierungsgrad reicht dabei je nach Modellierungsvariante (Kontakt- oder Koppelbedingungen) von der alleinigen Abbildung des globalen Systemverhaltens bis hin zur Auflösung lokaler Effekte innerhalb der Kontaktzone.
Die Effizienz dieser Anbindungsstrategien wird dabei über sogenannte statische Reduktionsalgorithmen garantiert, die auf Basis von mathematischen Umformulierungen die Ordnung des elastischen Umfeldes bei gleicher Abbildungsqualität verringern können.
Diese umgesetzte, durchgehende Berechnungskette - von der effizienten FE-Baugruppenmodellierung mit Z88 bis hin zur Integration dieser Konzepte in einen Z88-Optimierungsprozess - wurde basierend auf den Ergebnissen mehrerer Parameterstudien so kalibriert, dass sowohl numerische als auch Abbildungsfehler - zum Beispiel in Gestalt von Kontaktsteifigkeits-Stegen - vermieden werden können.
Das Potential dieser eigenentwickelten umfeldgestützten Komponentenoptimierung als ein effizientes Werkzeug im konstruktiven Leichtbau wurde abschließend an dem elastisch gelagerten Pleuel des Zweitakt-Motors (Entwurf nach Rieg) aufgezeigt.
Dabei wurden die in Z88 umgesetzten FE-Strategien zur effizienten Berücksichtigung des elastischen Umfeldes (hier in Gestalt der Motorbaugruppe: Gehäuse, Kurbelwelle, usw.) sowie die dafür ermittelten Handlungsempfehlungen auf ihre Praxistauglichkeit überprüft.
Die Designvorschläge der isolierten und umfeldgestützten Komponentenoptimierung bestätigen schließlich die bei ähnlichem Berechnungsaufwand insgesamt realitätsnähere Modellbildung der eigenentwickelten umfeldgestützten gegenüber der klassischen isolierten Komponentenoptimierung.
Schlagwörter: Finite-Elemente-Analyse; Topologieoptimierung; Z88
Fortschritte in Konstruktion und Produktion
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg und Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper, Bayreuth
Band 48
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Shaker Verlag GmbH
Am Langen Graben 15a
52353 Düren
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