Simulation Dank Variationen einfach zum optimalen Design

Autor / Redakteur: Nico Nagl / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Mit Simulationen auf Grundlage parametrischer 3D-CAD-Daten lässt sich das Produktverhalten analysieren, um die gewünschten Produkteigenschaften gezielt zu erreichen.

Firmen zum Thema

Die systematische Variation und Optimierung, basierend auf numerischer Simulation, untersützt den Produktentwicklungsprozess.
Die systematische Variation und Optimierung, basierend auf numerischer Simulation, untersützt den Produktentwicklungsprozess.
(Bild: Cadfem)

Das Zusammenspiel von CAD-Konstruktion und Finite-Elemente-Simulation ist ein zentraler Baustein in der virtuellen Produktentwicklung. Das Simulationswerkzeug Ansys Workbench bietet die Möglichkeit, Produkte hinsichtlich mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften mittels Finite-Elemente-Simulation zu untersuchen. Eine einzelne Berechnung liefert jedoch nur eine punktuelle Aussage über die definierten Produkteigenschaften.

Ein Vergleich von mehreren Varianten gibt dagegen Aufschluss über das Produktverhalten, sodass gezielt Änderungen vorgenommen werden können. Hierdurch lassen sich Verbesserungen und kundenspezifische Anpassungen umsetzen. Die Untersuchung von Designvarianten kann mit einem parametrischen Ansatz, der sowohl von den CAD-Systemen als auch von der FE-Simulation unterstützt wird, einfach realisiert werden. Mit entsprechend definierten Parametern lassen sich Änderungen sowohl von Geometriemaßen als auch von Materialkennwerten, Lasten und Randbedingungen leicht durchführen.

Bildergalerie

Werkzeug zur systematischen Untersuchung

In die Simulationsumgebung Ansys Workbench ist ein Werkzeug zur systematischen Untersuchung von Designvarianten und Optimierung integriert – Optislang inside Ansys. Dieses Softwarepaket ergänzt die Stärken der voll parametrischen, multidisziplinären Berechnungssoftware von Ansys Workbench durch einen automatisierten und intuitiv bedienbaren Workflow zur Robust Design Optimierung. Hierzu zählen erstens Sensitivitätsanalysen, mit denen Zusammenhänge zwischen den Variationsgrößen und relevanten Ergebnissen erkannt werden, zweitens Optimierungen zur zielgerichteten Verbesserung von Produkteigenschaften und drittens Robustheitsbewertungen, die streuende Einflüsse berücksichtigen. Auf letztere wird in diesem Artikel nicht näher eingegangen. Diese einzelnen Berechnungsmethoden greifen auf die in der Simulationsumgebung definierten Parameter zu.

Wichtige Einflussfaktoren erkennen

Bei einer Sensitivitätsanalyse werden die Variationsgrößen zwischen zwei Grenzwerten verändert und jeweils entsprechende FE-Simulationen durchgeführt. Dabei wird der Anwender von der Software unterstützt, indem diese die Wahl der geeigneten Varianten übernimmt.

Mit der Sensitivitätsanalyse bekommt der Entwicklungsingenieur einen Einblick in die Zusammenhänge zwischen den variierten Parametern und den berechneten Ergebnissen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Identifizierung von dominanten Einflussgrößen, sodass der Entwicklungsingenieur die Produkteigenschaften mit einer anschließenden Optimierung gezielt verändern kann.

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.

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).

Optimierung mit System

Die Produkteigenschaften werden mit einer Optimierung auf die zuvor definierten Anforderungen angepasst. In Optislang inside Ansys stehen hierfür unterschiedliche Berechnungsalgorithmen zur Verfügung. Der für die Anwendung geeignete Algorithmus wird dem Entwicklungsingenieur mithilfe einer intelligenten Selektionslogik vorgeschlagen.

Die nachfolgenden Anforderungen werden im Optimierungslauf berücksichtigt:

  • Reduzierung des Zerspanvolumens,
  • Maximierung der fertigbaren Einzelteile pro Halbzeug-
    stange,
  • Spannungslimit einhalten,
  • Grenzwert der Gesamtverformung nicht überschreiten und
  • Mindestklemmkraft.

Mit einer Mehrzieloptimierung auf der Antwortfläche aus der Sensitivitätsanalyse wird ohne weitere Berechnung von Finite-Elemente-Simulationen ein optimales Design gefunden, das die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen erfüllt und die gewünschten Produkteigenschaften aufweist. Durch die Sensitivitätsanalyse und Optimierung konnte das Ausgangsdesign so verbessert werden, dass die Produktspezifikationen mit den Anforderungen übereinstimmen. Dieser in die Ansys Workbench integrierte Workflow ermöglicht Kundenwünsche schnell und zielorientiert umzusetzen, Produkte zu verbessern und neue innovative Produkte auf den Markt zu bringen. (mz)

* Nico Nagl, Business Development, CADFEM GmbH

(ID:43966884)