Berechnen. Simulieren, Visualisieren Topologieoptimierung in der Produktentwicklung Einführung - Anwendungsmöglichkeiten – Zukunftsperspektive

Die Topologieoptimierung hat sich in den letzten Jahren zu einer sehr praktischen und vielseitig einsetzbaren Design- und Entwicklungsmethode entwickelt. Bereits seit Jahren wird sie erfolgreich in der Automobilindustrie angewandt und findet nun auch in anderen Bereichen vermehrt ihren Einsatz.

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Vor allem in den Industrien für Verbrauchsgüter und dem Flugzeugbau erkennt man zunehmend den Nutzen der Topologieoptimierung. So müssen heutzutage beispielsweise, als Folge der stetig wachsenden Bemühungen um Treibstoffreduzierung im Flugverkehr, bei gleich bleibender Produktqualität, alle Bauteile eines Flugzeuges gewichtsoptimiert werden. Auch die Einführung internationaler und nationaler Standards und Herstellungsrichtlinien machen die Topologieoptimierung für alle Industrien interessant.

Vor allem im letzten Jahrzehnt konnte man sehen, wie die Bedeutung der Topologie-optimierung in der Entwicklung neuer Produkte immer weiter zugenommen hat. Die Methode wird, wie viele auf der Finiten Elemente Methode basierende Algorithmen, ständig weiter entwickelt und kann nun für die Lösung ganz alltäglicher Entwicklungsprobleme eingesetzt werden.

Designkonzept dank der Topologieoptimierung weiter verbessernDank der Optimierungstechnologie wird aus dem, früher noch händisch durch geführten, Optimierungsprozess nun ein Prozess, der direkt von der Computeranalyse getrieben werden kann. Bis in den frühen 1990ern war die Strukturoptimierung beschränkt auf Designänderungen von Produkten mit einer vorgegebenen Topologie, die nur die Optimierung der Größe und Form zuließ.

Man verließ sich vor allem auf die Intuition und Erfahrung des Entwicklungsingenieurs wenn man das endgültige Designlayout festlegte. Heutzutage kann man ein Designkonzept dank der Topologieoptimierung noch weiter verbessern, indem man das erste Designkonzept auch hinsichtlich der Raumverteilung innerhalb einer Struktur untersucht und ändert.

Schritte der Topologieoptimierung

Die Methode der Topologieoptimierung besteht im Wesentlichen aus drei Schritten. Zunächst wird der maximal vorhandene Bauraum festgelegt. Dieses kann in einem CAD oder FEM System erfolgen. Weiterhin werden Optimierungsziele definiert. Beispielsweise wird ein Design minimaler Masse gewünscht, das auch gewisse Randbedingungen an Steifigkeit oder Eigenfrequenzen erfüllen soll. Aus diesen Vorgaben errechnet die Software einen optimalen Designvorschlag, der dann in Form von Geometriedaten vorliegt. Dieser Vorschlag dient dem Konstrukteur schließlich als Vorlage für ein Designkonzept.

Anwendungsgebiete der Topologieoptimierung

Durch die Implementierung so genannter “Fertigungsrestriktionen” in der Topologie-optimierungssoftware wird das Anwendungsspektrum der Methode stark erweitert. So kann zum Beispiel durch Vorgabe einer Auszugsrichtung ein fertigungsgerechter Design-vorschlag von Guss- oder Fräsbauteilen erzwungen werden. In folgenden Anwendungsgebieten wird die Topologieoptimierung erfolgreich eingesetzt:

1. Ermittlung der prinzipiellen optimalen Bauteilgestalt: Bei dieser Anwendung liegt in der Regel ein Volumenbauraum vor. Dem Optimierer wird bei der Erstellung des Designvorschlages die größtmögliche Freiheit gegeben. Im Automobilbereich wird die Methode so etwa für die Entwicklung von Halterkomponenten, z. B. im Motorenbereich eingesetzt.

Bild 1 zeigt die Optimierung eines Achsschenkels. Der Bauraum ist eindeutig begrenzt und es liegen mehrere Lastfälle vor, für die eine Optimierung durchgeführt werden soll. Durch Vorgabe der Gussauszugsrichtung konnte ein Designvorschlag ohne Hinterschnitte erzeugt werden.

2. Materialreduktion bei Blechteilen: Alternativ bietet es sich an, die Methode auf Blechumformteile anzuwenden. Häufig stellt sich hierbei die Frage, in welchen Bereichen des Bleches Löcher eingebracht werden können, um Material einzusparen. Der Bauraum wird dabei als Schalenstruktur modelliert. Die Software errechnet hierbei lokale Bereiche in denen Material entfernt werden kann, ohne dass es zu einer einschneidenden Reduktion der Produktperformance kommt. Der Halter eines Gurtaufzugsrollers stellt einen solchen Anwendungsfall dar. (Bild 2)

3. Optimierung von Rippenfeldern: Auch für die Optimierung von Rippenfeldern wird diese Methode verwendet. Neben Gussbauteilen im Automobilbereich werden hier insbesondere in der Luftfahrt benötigte Frästeile entsprechend gestaltet.

Ein weiteres Anwendungsfeld aus diesem Bereich sind Spritzgussteile. Da diese Komponenten in der Regel eine möglichst gleichmäßige Wandstärke haben sollten, stellt die Aufbringung einer effektiven Verrippung eine wichtige Konstruktionsmethodik dar. Traditionell werden oft lediglich regelmäßige Rippen zur Steifigkeitserhöhung eingebracht. Durch die Kombination von Design- und Nondesignbereichen mit entsprechenden Fertigungsvorgaben (Auszugsrichtung, maximale Wandstärke) in der Topologieoptimierung erstellt der Optimierer innovative Rippenfelder mit einem minimalen Einsatz von Masse.

4. Rahmenkonstruktionen: In den vorangegangenen Anwendungsbeispielen wurde die Topologieoptimierung auf Komponentenebene angewandt. Alternativ bietet sich jedoch auch die Optimierung auf Systemebene an. So kann z. B. die bestmögliche prinzipielle Rahmenstruktur von Fahrzeugen oder Maschinengehäusen optimiert werden.

Hierbei wird deutlich, warum bei der Topologieoptimierung auch von einer „Lastpfadanalyse“ gesprochen werden kann. Bild 3 zeigt den Designvorschlag für den Rahmen einer LKW Fahrerhauskabine, bei dessen Entwicklung Topologieoptimierung zum Einsatz kam.

Das Altair Angebot für Topologieoptimierungen

Im Rahmen des Softwarepaketes HyperWorks stellt Altair Engineering die Lösung OptiStruct für Strukturoptimierungen zur Verfügung. Das Paket hat sich seit der ersten Version, die im Jahre 1994 auf den Markt kam, zum weltweiten Markführer auf dem Gebiet Topologie-optimierung entwickelt.

In seiner neuesten Version HyperWorks 8.0 bietet das Tool OptiStruct u. a. Spannungs-zielwerte bei der Topologie- und Topographieoptimierung, um die effizientesten Konzeptdesigns für belastungskritische Strukturen, wie z. B. in einem Flugzeug zu erstellen. Außerdem bietet die Software Erweiterungen, wie die “free-shape” Methode für die automatische Formoptimierung ohne aufwändige Benutzerdefinitionen und die “free-size” Optimierung für die Entwicklung robuster Designlösungen bei Schalendickenverteilungen, Faserverbundlaminaten und Schubfeldern.

Die in OptiStruct bereits existierende Analysemöglichkeit von angeregten Schwingungen wird nun mit Version 8.0 auch um die Topologie-, Topographie-, Form- und Parameteroptimierung erweitert, um das dynamische Verhalten von Strukturen zu verbessern. Weiterhin stellt das Unternehmen mit „HyperShape/CATIA“ auch eine CAD integrierte Lösung zur Verfügung.

(hö)

Altair Engineering

Tel. +49(0)7031 6208 0

Dr.-Ing. Michael Hoffmann, Vice President Business Development und Marketing, Altair Engineering

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