Harzheim - Bionik Wirtschaftsforum

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Bionik – Wirtschaftszentrum
B-I-C Bremen, BIOKON, IBZ, Kompetenznetz Biomimetrik, VDI, DBU
8. und 9. April 2008, Osnabrück
Bionische Optimierung bei der
Konstruktion technischer Bauteile in
der Automobilindustrie
Dr. Lothar Harzheim
S1S1-01 VP&S - Optimization and Robust Engineering
Adam Opel GmbH
Internationales Technisches Entwicklungszentrum, Rüsselsheim
International Technical Development Center
VP&S – Optimization and Robust Engineering, Dr. Lothar Harzheim
FEFE-Modell Achsschenkel
Differentialkäfig
R
SchwingbruchSchwingbruchkritische
Stelle?
Spannungsverteilung Achsschenkel
Eigenschaft biologischer Kraftträger
Lastfall: Kurvenfahrt mit
Bremsen
Biologische Kraftträger versuchen immer in
einen Zustand homogener
Oberflächenspannung zu wachsen
oder
Lastfall: BordsteinBordsteinAnrutschAnrutsch-Test
Sie vermeiden jede Art von Kerbspannung
Ergebnisse Forschungszentrum Karlsruhe
Bi
eg
un
g
FEFE-Modell
Bi
eg
un
g
Astanbindung
Results Research Center Karlsruhe
Ten
s io
n
Natur
Adaptive biologische Wachstumsregel
Bäume, Knochen
Lagere Material an überbelasteten Stellen an
Entferne Material an unterbelasteten Stellen
Adaptive biologische
Wachstumsregel
Optimierte Form
(homogene OberflächenOberflächenspannung)
CAO (Computer Aided Optimization)
Wachstumsknoten
Formoptimierung
CAO
(Computer Aided Optimization)
- Formoptimierung -
Spannungsverteilung Kreis
Spannungsverteilung optimiert
FEFE-Modell Achsschenkel
Natur
BioBio-Engineering
Bäume, Knochen
Bauteil
Adaptive biologische
Wachstumsregel
Simulation der
Wachstumsregel von
Knochen
Optimierte Form
Optimiertes Bauteil
Spannungsverteilung Achsschenkel
Lastfall: Kurvenfahrt mit
Bremsen
Differentialkäfig
Optimiert
SchwingbruchSchwingbruchkritische
Stelle
R
Spannungsreduktion = 23%
Lastfall: BordsteinBordsteinAnrutschAnrutsch-Test
Optimiert
Basis
Formoptimierung mit CAO
Formoptimierung
CAO
Endkonturüber zwei Kreisbögen
Basis
Ausgangsmodell
Optimierungsergebnis
Glättung
(Computer Aided Optimization)
SpannungsSpannungsReduktion = 28%
Topologieoptimierung
SKO
(Soft Kill Option)
Soft Kill Option (SKO)
F1
Designraum
Bracket for a Gearshift Guide Control
F2
Initial Model
Element i
Design Proposal
E-Modul
Optimized Final Model
massiv
Emax
xinew = xiold + s(σ − σ ref )
Emin
Designvorschlag:
Loch
0
100
xi
Rauhe Oberfläche
'Verschmierte'
Verschmierte' Oberfläche
Ausgangsmodell eines
Motorhalters
Designvorschlag
Designraum
Spannungsverteilung
Querschnitt des Motorhalters
Motorhaltersdes
Umsetzung
mitDesignvorschlags
optimiertem
Querschnitt
Vorher
Optimiert
Gegenüberstellung der Produktentwicklungsprozesse
Konventioneller Prozeß
Verbesserter Prozeß
Control Arm Front Axle
Verbesserter Designprozess
FEMFEM-Mesh
of
Design Space
Design Space
Result
of
Topology optimization
(SKO)
Final Design
(SKO)
TopShape
Löcher
TOSCA
Keine Löcher
Benutzerdefinierte
minimale Wandstärke t min
Fachwerkstrukturen
Hohlstrukturen
Hinterschnitte
Vorgeschriebene
Entformungsrichtung
(Wachstumsrichtung)
OptiStruct
TOSCA
Aluminium Achsschenkel
Designvorschläge
EntformungsEntformungsrichtung
Designraum
TopologieTopologieoptimierung
(SKO)
TopShape
TopShape
UmsetzungDesignvorschlag
FEMFEM-Mesh
of
Design Space
Design Space
Result
of
(SKO)
Final Design
Result
of
with cast constraints
(TopShape)
Final Design
Geglätteter Designvorschlag
Rippenoptimierung
λ = 0.09
mit Hilfsmodell
λ = 0.15
Vorgeschriebene
Entformungsrichtung
Vorgeschriebene
Entformungsrichtung
TopShape
mit unidirektionaler
Enddesign
Wachstumsrichtung
Hoch
belastete
Rippen
Bereiche
Vergleich
Die
3 schlimmsten
mit Topologieoptimierung
Lastfälle
TopShape
Lcd 7
Lcd 8
Lcd 9
Design Modifikationen
Topologieoptimierung (SKO)
traditionell
Lcd 7
Lcd 8
Lcd 9
neu
TopShape Ergebnis
Designraum eines Motorhalters
unidirektional
TopShape Ergebnis
bidirektional
Zusammenfassung
Wachstumsregel
CAO Formoptimierung
Feinoptimierung, genaue Anpassung,
Optimierung lokaler Schwachstellen
SKO Topologieoptimierung
Löcher in Bauteilen
Optimale Merkmale von Gussteilen
TopShape
Incl. Fertigungsrestriktionen für Gussteile
nahe am Enddesign
einfacher zu interpretieren
neue alternative Designs

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