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Definition Was ist eigentlich Gestaltoptimierung?

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

Die Gestaltoptimierung ist eine Berechnungsmethode, die sich am Wachstumsverhalten von biologischen Kraftträgern orientiert. Ziel ist eine homogene Oberflächenspannung. Wie das funktioniert.

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Von der Natur abgeschaut und auf technische Entwicklungen übertragen: Die Gestaltoptimierung ist ein lastadaptives Berechnungsverfahren und hat das Ziel, eine homogene Spannnungsverteilung und damit ein dauerfestes Bauteil zu erreichen.
Von der Natur abgeschaut und auf technische Entwicklungen übertragen: Die Gestaltoptimierung ist ein lastadaptives Berechnungsverfahren und hat das Ziel, eine homogene Spannnungsverteilung und damit ein dauerfestes Bauteil zu erreichen.
(Bild: ©adimas - stock.adobe.com)

Die Gestaltoptimierung oder Computer Aided Optimization (CAO) ist ein Verfahren zur Formoptimierung aus dem Bereich der Bionik. Das Vorbild für die Gestaltoptimierung ist das Wachstumsverhalten von biologischen Kraftträgern wie Knochen oder Baumstämmen: Stark beanspruchte Stellen werden in der Natur verstärkt, weniger beanspruchte Teile bilden sich zurück.

Dauerfeste Leichtbauteile nach dem Vorbild der Natur

Dieses Vorgehen wird im Rahmen der Gestaltoptimierung simuliert: Die Oberfläche des zu optimierenden Bauteils lässt man gemäß der biologischen Wachstumsregel virtuell wachsen, wie es beispielsweise ein Knochen tun würde, wenn er die Funktion des Bauteils übernehmen müsste. So werden durch simuliertes biologisches Wachstum Spannungen, insbesondere Kerbspannungen, abgebaut und nicht tragende Bauteile durch Schrumpfen entfernt. Entsprechend dem Axiom konstanter Spannung bewirkt die Gestaltoptimierung eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf der Bauteiloberfläche. Dadurch wird das Bauteil belastbarer und seine Lebensdauer erhöht.

Entwickelt wurde das Verfahren am Karlsruher Institut für Technologie unter Prof. C. Mattheck.

Methodische Verbesserung von Entwürfen

Die Gestaltoptimierung wird zunehmend zur methodischen Verbesserung vorliegender Designentwürfe eingesetzt, wodurch umfangreiche Variantenkonstruktionen und zeitaufwändige Try-and-Error-Modifikationen größtenteils vermieden werden können.

Seminartipp

Das Seminar Konstruktionsbionik vermittelt einen Überblick zu den Möglichkeiten der Bionik bei der Entwicklung neuer Produkte. Die Teilnehmer gehen selbst auf bionische Lösungssuche und lernen die Prinzipien der bionischen Gestaltoptimierung kennen.

So läuft eine Gestaltoptimierung ab

Die Basis für die Simulation der biologischen Wachstumsregel sind die Spannungen in dem zu optimierenden Bauteil, die sich durch die Last- und Lagerungsbedingungen ergeben, basierend auf einer FEM-Simulation. Dabei wird die Geometrie des zu optimierenden Bauteils allein über das FEM-Netz und durch die Lage der Knoten auf der Oberfläche beschrieben.

  • Zu Beginn steht eine FEM-Analyse, in der die Spannungen im Bauteil berechnet werden.
  • Basierend auf den Spannungswerten wird die biologische Wachstumsregel simuliert und eine daraus resultierende Wachstumsverschiebung bestimmt.
  • Die neue Kontur erhält man, indem man die Wachstumsverschiebungen zu den entsprechenden aktuellen Koordinaten hinzuaddiert.
  • Im nächsten Schritt wird eine Netzkorrektur durchgeführt, um das Netz an die neue Kontur anzupassen und um Netzverzerrungen so gering wie möglich zu halten.
  • Danach ist ein Wachstumszyklus abgeschlossen und die nächste Iteration kann mit der Spannungsanalyse für die modifizierte Struktur begonnen werden.
  • Das Verfahren wird abgebrochen, wenn die erwünschte homogene Oberflächenspannung erreicht ist oder geometrische Restriktionen weiteres Wachstum verbieten.

Buchtipp

Mit bionischen Verfahren lassen sich Bauteile so gestalten, dass sie mit minimalem Aufwand ihre strukturmechanischen Funktionen erfüllen. Das Praxishandbuch Bionik in der Strukturoptimierung st ein Nachschlagewerk für ressourceneffizienten Leichtbau für Konstrukteure, Entwickler und Studierende.

Topologie- und Gestaltoptimierung

Die Gestaltoptimierung baut auf einer topologisch bekannten und festgelegten Struktur auf. Variiert wird hier die Kontur im Hinblick auf eine optimale Oberflächenformgebung einer Struktur. Im Gegensatz dazu wird bei der Topologieoptimierung ein Konstruktionsentwurf vorgeschlagen, bei dem das zu optimierende Bauteil ein möglichst geringes Gewicht und gleichzeitig eine möglichst hohe Steifigkeit und Haltbarkeit besitzt. Nichttragende Bereiche werden entfernt, Versteifungen, Rippen und Durchbrüche entstehen dort, wo sie benötigt werden.

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