Simulation Wie die optimale Bauteil-Gestalt entsteht

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GWJ Technology GmbH

Nachhaltigkeit ist das Gebot der Stunde – Klimaschutz, Energiekrise und steigendes Bewusstsein der Endkunden lassen keine Zweifel zu. Ein Baustein auf dem Weg zu mehr Nachhaltigkeit ist der Leichtbau, der schon früh in der Konstruktion eine Rolle spielen muss. Gut, dass es FEM-Simulation und Strukturoptimierung gibt.

In fast allen Branchen erhält der Leichtbau in der Produktentwicklung eine immer größer werdende Bedeutung: Denn der geringere Materialeinsatz bringt zahlreiche Vorteile wie eine CO2- und Kosteneinsparung in der Produktion mit sich; und auch im fertigen Produkt beim Endkunden sind leichtere Bauteile maßgebend für die Energieeffizienz.

Leichtbaustrukturen haben zahlreiche Vorteile, müssen aber den geforderten Belastungen trotz ihres minimalen Gewichtes standhalten – schließlich muss die Festigkeit der Bauteile zu jeder Situation gewährleistet sein. Der Kostendruck auf dem Markt sowie immer anspruchsvollere Forderungen bedürfen bereits in einer frühen Entwicklungsphase eine Optimierung der Konstruktion, um wettbewerbsfähig bleiben zu können. Doch wie können Bauteile überhaupt leichter gemacht werden, ohne deren Festigkeit zu gefährden?

Dabei wird auf den Einsatz von CAE-Methoden gesetzt, um die Bauteil-Geometrien zu verbessern und dabei Steifigkeitsanforderungen, aber auch Fertigungseinschränkungen zu berücksichtigen. Dank der Strukturoptimierung, auch Topologieoptimierung genannt, lässt sich mithilfe von FEM-Berechnungen mit minimal verwendetem Material eine maximale Festigkeit des Bauteiles erzielen.

Wie eine FEM-Berechnung abläuft

Um die Frage nach Leichtigkeit und Stabilität zu beantworten, muss zunächst das Vorgehen bei einer FEM-Berechnung deutlich werden. Durch eine Strukturoptimierung mithilfe von FEM-Berechnungen lässt sich mit minimalem Materialaufwand eine maximale Bauteilfestigkeit erzielen. FEM steht für die sogenannte Finite Elemente Methode, also die Berechnung mit endlich vielen einzelnen Würfeln oder Tetraedern. Das auf einem komplexen System aus Differentialgleichungen basierende Vorgehen berechnet die Verformung einer Konstruktion unter verschiedenen Belastungen und die daraus resultierenden Spannungen. Auf diese Weise lassen sich Schwachstellen in einer Konstruktion identifizieren, berechnen und visualisieren.

• Dafür erfolgt zunächst das Preprocessing, also die Aufbereitung des Modells. Dabei wird das CAD-Modell, inklusive korrekt definierter Geometrien und Materialkennwerte, in die FEM-Software importiert. Insbesondere das Material spielt eine wichtige Rolle, da für die mechanische Festigkeitsanalyse das Verhalten des Materials auf äußere Belastungen ausschlaggebend ist.

• Für die Berechnung wird das Bauteilvolumen schließlich in finite Elemente eingeteilt. Die Feinheit der Unterteilung hängt von der vorliegenden Aufgabenstellung und der CAD-Geometrie ab. Zuletzt werden die Randbedingungen sowie die Belastungen definiert.

• Der Solver, eine Software für mathematische Probleme, löst nun das Gleichungssystem, das hinter dem FEM-Modell steckt. Abhängig von der Komplexität der Struktur kann ein Gleichungssystem von mehreren Millionen Zeilen entstehen. Dabei umfasst das erste Ergebnis die Verschiebungen der einzelnen Knoten, später können daraufhin Verzerrungen, Spannungen sowie Reaktions-Kräfte berechnet werden. So lässt sich das Gesamtverhalten der Struktur aus dem Verhalten der einzelnen Subbereiche berechnen.

• Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt nun im Postprocessing. Da die hohe Element-Anzahl eine Vielzahl an Ergebnissen mit sich bringt, werden sie mit Farbplots dargestellt, um einen schnellen Überblick über die Schwachstellen der Konstruktion vermitteln zu können.

Belastungsgerechte Bauteilstrukturen führen zu sinnvollem Materialeinsatz

Basierend auf Ergebnissen der Berechnung können anhand der Farbplots schwach belastete und überbeanspruchte Bereiche schnell und einfach identifiziert werden. Besonders wichtig ist es dabei, die unterschiedlichen Belastungen, die auf das Bauteil einwirken können, im Last-Kollektiv zu berücksichtigen und durchzurechnen. Die Belastungen werden darin in Betriebslasten und Extremlasten unterteilt, da hier unterschiedliche Anforderungen an zulässigen Spannungen vorliegen.

Durch diese Strukturoptimierung können belastungsgerechte Bauteilstrukturen errechnet und somit das Material sinnvoller eingesetzt werden. Bei schwach belasteten Stellen des Bauteiles kann somit Material reduziert werden, um in diesem Bereich Ressourcen einzusparen. Auch die äußere Gestalt der Bauteile, die Wanddicke, Versickungen oder Faserorientierungen können nach der Strukturoptimierung nochmal überarbeitet werden. Aus diesen Eigenschaften werden mithilfe von zahlreichen Simulationsläufen optimale Gestalten für das Bauteil ermittelt, die den wirkenden Kräften am besten standhalten. Diese dienen dann als Ausgangslage für die weiteren Konstruktionsschritte.

Topologieoptimierung

Rahmenkonstruktion neu gedacht

Festigkeitsauslegung als wichtige Komponente im Risikomanagement

Insbesondere für die Zeit- und Kostenersparnis sollte die Konstruktion schon vor dem ersten Prototypenbau hinsichtlich der gewünschten Festigkeit überprüft werden. Denn ein Festigkeitsversagen ist mit einem Imageschaden, Produktions- bzw. Entwicklungsstillstand sowie hohen Kosten verbunden. Eine Festigkeitsauslegung bildet deshalb schon lange eine wichtige Risikomanagement-Komponente.

Dank der frühzeitigen Analyse können enorme Kosten und Vertrauensverlust seitens des Endkunden erspart bleiben. Durch diese Möglichkeit, gezielt Schwachstellen der Konstruktion aufzudecken, können noch vor dem ersten realen Test Ausbesserungen vorgenommen werden. Eine solche Festigkeitsberechnung sichert den Konstrukteur auch rechtlich ab: Geht diese FEM-Analyse einher mit einer angepassten Konstruktionslösung für eine Produktinnovation wird die Produktqualität gesichert.

Sichere und nachhaltige Bauteile dank Festigkeitauslegung

Dank der Ressourcen-Ersparnis und Kosteneffizienz ist Leichtbau ein elementarer Bestandteil einer nachhaltigen Produktion. Es beginnt bereits weit vor der eigentlichen Herstellung und zieht sich – vom Rohstoff bis zum fertigen Bauteil – durch die gesamte Wertschöpfungskette. Insbesondere bei FEM-Berechnungen können, basierend auf beliebig vielen Lastfällen und einem vorgegebenen Bauraum, Bauteile simulativ entwickelt werden, bei denen nur ein Minimum an Material verwendet werden muss. Daher ist die Einbindung der Strukturoptimierung bei der Entwicklung von Leichtbauteilen ein essentieller Bestandteil. So ist es möglich, lediglich Prototypen zu testen und zu validieren, die bereits in der Simulation vielversprechende Ergebnisse geliefert haben.

Betrachtet man die Einsparpotenziale oder im schlimmsten Fall Regress-Forderungen infolge des Bauteil-Versagens, sind die Kosten für eine Simulation gut investiert. Die Berechnungsingenieure des Engineering- und Technologieunternehmens Invenio verfügen über langjährige Erfahrung der komplexen FEM-Berechnungen und ein robustes Qualitätssystem, um den Kunden optimierte ausgereifte Lösungen auf Basis der FEM-Berechnung zu bieten, mit denen die Zukunfts- und Wettbewerbsfähigkeit gewährleistet werden.

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* Dipl.-Ing. Viktor Schmidt ist Geschäftsführer der invenio Technical Simulations GmbH.

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