Simulation

Dank Variationen einfach zum optimalen Design

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Fallbeispiel Spannzange

Das prinzipielle Vorgehen einer systematischen Variation und Optimierung wird im Nachfolgenden anhand einer Spannzange dargestellt. Bei einer Spannzange handelt es sich um ein Präzisionswerkzeug, das mit hoher Genauigkeit schnell und kraftschlüssig Bohrer oder Fräser fixiert. Durch Zug am Ende der Spannzange wird über den Konus eine Klemmkraft auf das zu spannende Werkzeug aufgebracht. Das Stahlbauteil wird aus einem Halbzeug in Stangenform hergestellt. Ziel ist, möglichst viele Einzelteile aus einer Stange zu fertigen, um die Materialkosten pro Stück zu reduzieren. Darüber hinaus soll das Zerspanvolumen, welches bei der Bearbeitung anfällt, minimal sein. So kann auf der einen Seite die Bearbeitungszeit pro Stück verringert und gleichzeitig der Verschleiß von Werkzeugen während der Bearbeitung, zum Beispiel Schneidplatten im Drehprozess, minimiert und die Standzeit erhöht werden.

Technische Anforderungen

Desweiteren werden noch technische Anforderungen an das Produkt gestellt. Die maximal auftretenden Spannungen sollen die Fließgrenze des Stahls nicht überschreiten und die Gesamtverformung soll unter einem spezifizierten Wert bleiben. Ein wichtiges Merkmal für eine Spannzange ist die Mindestklemmkraft. Diese gewährleistet, dass ein Bohrer oder Fräser während des Bearbeitungsprozesses in der späteren Anwendung nicht durchrutscht. Die oben genannten wirtschaftlichen Aspekte und die technischen Anforderungen können im Optimierungsprozess als Parameter berücksichtigt werden.

Bildergalerie

Strukturmechanische Simulation des Spannprozesses

Die strukturmechanische Simulation des Spannprozesses erfolgt durch eine FE-Berechnung der Spannzange. Dabei wird ein CAD-Modell mit Geometrieparameter direkt mit dem Analysesystem verbunden, sodass Designvarianten einfach und automatisiert berechnet werden können. In der Simulation sind die auftretenden maximalen Spannungen, die Gesamtverformung, die Spannkraft und die Masse als Ergebnisgrößen definiert. Außerdem wird eine Microsoft Excel-Datei in den Simulationsprozess eingebunden, mit der das Zerspanvolumen und die Anzahl an fertigbaren Bauteilen berechnet werden und diese als Ergebnisparameter zur Verfügung stehen.

Statistischer Versuchsplan mit Designvarianten

Für die Ermittlung der Sensitivitäten der Ergebnisgrößen abhängig von den Variationsgrößen wird ein virtueller, statistischer Versuchsplan mit gleichmäßig verteilten Designvarianten aufgestellt. Die Variationsbereiche für die Geometrieparameter werden vom Entwicklungsingenieur festgelegt. Nach der Berechnung aller Designpunkte werden die Variations- und Ergebnisgrößen über ein sogenanntes Antwortflächenmodell beschrieben (Bild 1). Mit diesem Modell können Voraussagen zu noch nicht berechneten Designkonstellationen getroffen werden. Bei hoher Voraussagequalität dient dies als Basis für nachfolgende Optimierungen.

Vorauswahl von geeigneten Designs

Die Bewertung der Ergebnisse und eine Vorauswahl von geeigneten Designs für eine Optimierung finden im Postprocessing in Optislang inside Ansys statt. Die Auswertung von linearen Korrelationen gibt Aufschluss über wichtige und unwichtige Variationsparameter und deren Einfluss auf die Ergebnisgrößen. Die Auswahl eines Startdesigns für die Optimierung wird im Parallelkoordinatenplot getroffen. Mit Schiebereglern werden die Ergebnisgrößen an die Anforderungen angepasst, sodass alle Designvarianten, die diese Kriterien nicht erfüllen, aus der Selektion ausgeschlossen sind. Bei den gültigen Designs fällt die Wahl auf das Design mit dem geringsten Zerspanvolumen bei einer maximalen Anzahl von Bauteilen pro Halbzeugmaterial. Dieses manuell selektierte Design wird für die anschließende Optimierung als Startpunkt gewählt (Bild 2).

(ID:43966884)