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Paradigmenwechsel in der konstruktionsnahen Berechnung

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Optimierung des Bauteils mit der Altair HyperWorks Suite

Die Optimierung des Bauteils wurde mit den Werkzeugen der Altair HyperWorks Suite durchgeführt. Die erste Optimierung des Ventilhebels wurde mit sehr wenigen Einschränkungen durchgeführt, d. h. es wurden lediglich der zur Verfügung stehende Bauraum (Design Space), geschützte Bereiche (Non-Design Space), Randbedingungen und Lasten definiert. Um mögliche Fertigungsverfahren ableiten zu können wird die erste Optimierung generell mit möglichst wenigen Einschränkungen durchgeführt.

Anhand dieses Ergebnisses ist es dann möglich, ein Fertigungsverfahren auszuwählen, das in einer weiteren Optimierung durch Definition einer entsprechenden Fertigungsrestriktion gezielt berücksichtigt wird. In diesem Beispiel lieferte das erste Ergebnis zwar eine hinterschnittfreie aber relativ komplexe, nur durch „teure“ und „langsame“ Herstellverfahren (5-Achs CNC-Fräsen, Schmieden, Erodieren) herstellbare Geometrie.

Da das Ergebnis der ersten Optimierung bereits entformbar (Auf-Zu) war, konnte auf eine Optimierung mit der Fertigungsrestriktion „Ausformrichtung“ verzichtet werden. Stattdessen wurde in einer zweiten Optimierung die Fertigungsrestriktion Extrusion verwendet, um ein Ergebnis zu erzwingen das durch Wasserstrahlschneiden abgebildet werden kann.

Detaillierter Festigkeitsnachweis anhand der finalen Geometrie

Beide Optimierungsergebnisse konnten für sich alleine nicht direkt durch ein einzelnes Fertigungsverfahren umgesetzt werden. Es zeigte sich jedoch, dass beide Ergebnisse durch eine Kombination der Fertigungsverfahren 3-Achs Fräsen (ohne CNC) und Wasserstrahlschneiden umgesetzt werden konnten.

Beide Verfahren erfüllen die gewünschten Forderungen „schnell“ und „kostengünstig“. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde das Eingangsmodell für die dritte Optimierung angepasst. In dieses Modell wurde die aus Optimierungsergebnis 1 ableitbare einfache Fräsbearbeitung bereits eingearbeitet. Die Ummantelung der Ölkanäle wurde auf die Ebene der Fräsbearbeitung hochmodelliert, um deren Extrudierbarkeit (Wasserstrahlschneiden) zu gewährleisten. In der dritten Optimierung wurde nun lediglich die Fertigungsrestriktion Extrusion bei der Optimierung des überarbeiteten CAD-Modells angewendet.

Eine vierte Optimierung, bei der im Vergleich zur dritten lediglich die minimal erlaubte Wandstärke von 3 mm auf 4 mm erhöht wurde, zeigte erwartungsgemäß weniger dafür aber dickere Rippen. Aus beiden daraus resultierenden Ergebnissen wurden jeweils die Bereiche des Ventilhebels ausgewählt, die sich als geeigneter für die Fertigung erwiesen. An dieser Stelle floss die Erfahrung des Konstrukteurs darüber, welche weiteren Modifikationen an der Geometrie aus Fertigungssicht vorteilhaft wären, in die Arbeit mit ein.

In dieser Phase war die Optimierungs- und Fertigungserfahrung des Konstrukteurs bei der Interpretation der Optimierungsergebnisse und der finalen Umsetzung in eine CAD-Geometrie entscheidend. Schließlich wurde von der Berechnungsabteilung ein detaillierter Festigkeitsnachweis anhand der finalen Geometrie durchgeführt.

Vorauswahl für ein mögliches Fertigungsverfahren treffen

Das Projekt von belCAT Ingenieurbüro Stuttgart für die Firma Bosch hat gezeigt, wie sich die Arbeitsabläufe zwischen Konstruktion und Berechnung durch den Einsatz von Konzeptionierungsmethoden wie der Topologieoptimierung und -werkzeugen, wie sie in Altairs HyperWorks Suite enthalten sind, verändern und den gesamten Entwicklungsprozess vereinfachen und verkürzen können.

Der Konstrukteur wurde bei der Beantwortung seiner Fragestellungen unterstützt und konnte seine Konstruktionserfahrung, im Einklang mit den Optimierungsergebnissen, schon in seinen ersten Entwurf einfließen lassen. Das Ergebnis einer Topologieoptimierung ist häufig eine komplexe und schwer fertigbare Geometrie.

Auf Basis des ersten Optimierungsergebnisses lässt sich jedoch oft eine Vorauswahl für ein mögliches Fertigungsverfahren treffen. Dieses gewählte Fertigungsverfahren kann dann im weiteren Optimierungsprozess durch sogenannte Fertigungsrestriktionen gezielt berücksichtigt werden. Ein zunächst komplex erscheinendes und schwierig zu fertigendes Optimierungsergebnis kann so auf ein weniger komplexes, schnell und kostengünstig zu fertigendes Optimierungsergebnis reduziert werden. Letztendlich hat die Kombination aus Konstruktions- und Berechnungswissen zu den guten Ergebnissen geführt. (Zusammenfassung)

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