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Beispiel: Optimierung eines Kipphebels eines NFZ Verbrennungsmotors mit Werkstoffumstellung auf Leichtbauwerkstoff

In einem Ventiltriebwerk ist das Bauteil Kipphebel ein hochgradig dynamisch belastetes Bauteil. Optimale Bauteilsteifigkeit bei minimaler Bauteilmasse mit ausreichender dynamischer Festigkeit sind die maßgebenden Auslegungskriterien dieses Bauteils. Die Aufgabenstellung dieses Projektes war die Entwicklung einer effektiven Simulationsmethodik zur Topologie- und Spannungsoptimierung eines dynamisch hochbelasteten Ventiltriebsbauteils. Es ist derzeit nicht möglich ausschließlich mit der Methode der Finiten Elemente und Schädigungsrechnung ein Bauteil, das einem mehrzyklischen Spannungszustand sowie hoher dynamischer Beanspruchung ausgesetzt ist, in iterativer Form bezüglich seiner Steifigkeit- und Beanspruchung eine optimale Bauteilgestalt zu berechnen. Nur durch geeignete Koppelung dieser Berechnungswerkzeuge mit modernen Optimierungsmethoden, die z.B. durch das Programmsystem TOSCA bereitgestellt werden, kann in effizienter Weise durch Berechnung eine hinsichtlich dynamischer Auslastung, optimale Werkstoffwahl auch unter Betrachtung minimaler Herstellungs- und Fertigungskosten, ein Geometrieentwurf für ein “optimiertes” Bauteil erarbeitet werden.

Analyseziel

  • Entwicklung einer effizienten Berechnungsmethodik zur Topologie- und Spannungsoptimierung unter Anwendung von ANSYS und TOSCA basierend auf der Bauteilschädigung (hier: Dauerbruchsicherheit) und der Berücksichtigung der dynamischen Beanspruchung
  • Berücksichtigung der durch Kontakt verbundenen Anbauteile in einer dynamischen Strukturberechnung
  • Berechnung und Beurteilung der Deformation sowohl in der Kontaktzone als auch am Gesamtsystem
  • Optimierung der Geometriegestalt mit Ersatz Schmiedewerkstoff durch Leichtbauwerkstoffe (Aluminium, ADI)


Analysetechnik

  • Kombinierte Tetraeder-Hexaeder-Modell
  • Berücksichtigung von dynamischen Effekten
  • Berücksichtigung von Kontaktzonen im Optimierungsraum
  • Einsatz von Verfahren zur Reduzierung der Modellgröße und der Anzahl von Kontaktpaaren)
  • (Automatisierte) Flächenrückführung von Optimierungsergebnis aus Topologie- und Spannungsoptimierung in ein CAD-Modell
  • Koppelung von FEM - OPTIMIERUNG - Schädigungsrechnung durch Abbildung der Prozesskette ANSYS-FEMFAT-TOSCA


Kundennutzen

  • Abbildung von steifigkeits- und spannungsoptimierten dynamisch belasteten Bauteilen mit minimalem Werkstoffeinsatz und Bauteilmasse
  • Kosteneffiziente Abbildung von Bauteilen im Hinblick auf Fertigungskosten und Werkstoffeinsatz
  • Elimination von aufwendigen Versuchs- und Erprobungsschleifen zur Bauteilqualifikation bzw. Serienfreigabe
  • Mehr Freiraum für schnelle Konstruktionsveränderungen

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Optimierungsergebnis

Topologieoptimierung

Bauraummodell

CAD-Rückführung

Optimierungsergebnis
(geometrisch geglättet)

Spannungsoptimierung
(Dauerbruchsicherheit)




Sicherheit < 1 (Werkstoff 1)

Sicherheit < 2.5 (Werkstoff 2)