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Simulation Die Topologieoptimierung feiert ihren 20. Geburtstag

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Vor 20 Jahren wurde eine Technologie für die Topologieoptimierung von Strukturen ins Leben gerufen, die heute unter dem Namen Optistruct als Solverlösung für Strukturanalyse und Optimierungen für lineare und nicht-lineare Struktur-Aufgabenstellungen mit statischen und dynamischen Lasten zur Verfügung steht. Altairs Chief Marketing Officer Jeff Brennan hat die Optistruct-Technologie bei Altair eingeführt und war der Entwicklungsvorreiter. konstruktionspraxis hat mit Jeff Brennan über die Ursprünge und künftige Pläne gesprochen.

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Die Topologieoptimierung ermittelt eine günstige Grundgestalt (Topologie) für Bauteile unter mechanischer Beanspruchung. Die Software zur Topologieoptimierung Opti-Struct ist auch nach 20 Jahren noch lange nicht am Ende der Entwicklung angekommen.
Die Topologieoptimierung ermittelt eine günstige Grundgestalt (Topologie) für Bauteile unter mechanischer Beanspruchung. Die Software zur Topologieoptimierung Opti-Struct ist auch nach 20 Jahren noch lange nicht am Ende der Entwicklung angekommen.
(Bild: Altair)

Herr Brennan, erzählen Sie uns ein bisschen über die Ursprünge und die ersten Entwicklungsschritte von Optistruct.

Anfang der 1990er Jahre habe ich mich im Rahmen meiner Examensarbeit in Ingenieurswissenschaften für den Bereich Biomedizin an der Universität von Michigan mit Topologieoptimierung beschäftigt. Unser Labor hat zum Thema Knochenwachstum und der Theorie, dass der Knochen direkt auf äußere Einwirkungen reagiert, geforscht. Dies ist als das Wolfsche’ Gesetzt bekannt. Wir wollten ein mathematisches Modell erstellen, das das Knochenwachstum in einem menschlichen Körper darstellt, mit dem man z. B. das Knochenwachstum herbeiführen oder beeinflussen kann, um Krankheiten wie Osteoporose zu behandeln. Wir haben bei unserer Forschung festgestellt, dass der Körper in der Tat als Reaktion auf eine Spannung versucht, eine optimale Struktur und Mikrostruktur zu finden.

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Als ich im Frühjahr 1992 zu Altair kam, haben mir der damalige CTO des Unternehmens Jim Brancheau und der CEO James Scapa gesagt, dass Sie sehr interessiert an unserer Forschung sind und aus der Technologie Topologieoptimierung gerne ein kommerzielles Softwarewerkzeug entwickeln wollten. Mit der Software könnten mathematische Prinzipien in die kommerzielle Welt übertragen werden und so dabei helfen, im Produktdesign optimale Formen zu entwickeln. Altair hat für die Entwicklungen des ersten kommerziellen Topologieoptimierungsalgorithmus mit Professoren des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften der Universität von Michigan zusammen gearbeitet. Es dauerte ca. ein Jahr bis die Software fertiggestellt und Optistruct offiziell in 1994 veröffentlicht wurde.

Wer war der erste kommerzielle Anwender der Software?

GM Powertrain war 1994 der erste Kunde. Das Unternehmen hat die Software zunächst für die Entwicklung von Motorhaubenhalterungen verwendet. Andere Anwendungen und Kunden folgten auf dem Fuße. Nach ein paar Jahren hat Altair dann die komplette Entwicklung von Optistruct übernommen, Softwareentwickler eingestellt und stark in das Produkt investiert. Es gab verschiedene Personen, die in der Entwicklung von Optistruct eine entscheidende Rolle gespielt haben, viele davon sind bis heute in die Weiterentwicklung des Produktes eingebunden.

Wie hat sich Optistruct seitdem weiterentwickelt?

Im Laufe seiner 20-jährigen Geschichte wurde sehr viel Entwicklungsarbeit in die Software gesteckt und viele Ansätze für die industrielle Anwendung untersucht, bis aus Optistruct schließlich das erfolgreiche Werkzeug wurde, das es heute ist. In den ersten Jahren bin ich mit einer tragbaren Workstation in der ganzen Welt herumgereist, um den Interessenten und Kunden vor Ort zu zeigen, wie sie ihre Topologieoptimierungsaufgaben lösen können. So haben wir die Kundenbasis vergrößert und Möglichkeiten geschaffen, weiter in das Produkt investieren zu können. Neue Anwendungen bei Kunden und Interessenten waren eine Herausforderung für die damals bestehenden Fähigkeiten von Optistruct. Wir haben Optistruct jedes Jahr um neue Funktionen und Lösungen erweitert und damit die Bandbreite und den Einsatzbereich des Produktes vergrößert, so dass viele neue Aufgaben bewältigt werden konnten. Das war ein interaktiver Prozess zwischen Altair und seinen Kunden und mit dem Wachstum des Entwicklungsteams konnten dann oft sogar über Nacht neue Funktionen ergänzt werden, die bestimmte Anforderungen von Kunden abdecken konnten. Es war eine aufregende Zeit.

Wo lagen damals die Probleme der Kunden, welche Lösungen wurden gefordert?

Der Software wurden viele verschiedene Lösungsarten hinzugefügt, darunter Lösungen zur Vibrationsanalyse, für die Beulanalyse, zusätzliche Elementtypen, Randbedingungen und Response-Typen. Die Ergebnisse sahen jedoch oft sehr seltsam aus und stellten ganz neue Herausforderungen an die Fertigung und die gängigen Annahmen, wie ein ideales Design aussehen sollte. Irgendwann haben wir auch Algorithmen für Fertigungsrestriktionen mit eingebunden, um die Designfindung bei bestimmten Herstellungsmethoden, wie z. B. beim Stanzen oder Gießen, zu unterstützen, was für Optistruct ein echter Durchbruch war. Dann haben wir andere Randbedingungen wie Musterwiederholungen und Symmetriekontrollen hinzugefügt und schon bald wurde die Topologieoptimierung als nützliches Werkzeug in der frühen Designphase auf breiter Basis akzeptiert.

Später wurden auch zusätzliche Variablen für Aufgabenstellungen wie die Designoptimierung hinzugefügt, so zum Beispiel die Möglichkeit, die Grenzformen und die Topographie (die Möglichkeit der kontrollierten Formänderung einer Oberfläche) eines bestehenden Designs zu ändern. Die Kontrolle von Dimensionsparametern, wie Dicke oder die Parameter von Compositematerialien, haben schließlich dazu geführt, dass sich Optistruct in konventionellen Designprozessen durchgesetzt und sich die ganze harte Arbeit bezahlt gemacht hat, da das Werkzeug nun sehr großflächig eingesetzt und akzeptiert wurde. In den letzten fünf bis zehn Jahren wurde die Software als Designwerkzeug immer besser angenommen und die Leute fühlen sich heute sehr wohl bei der Anwendung dieser immer noch sehr revolutionären Technologie.

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