Optimierungsansatz zur Generierung von Designvorschlägen für Bauteile aus langfaserverstärkten Werkstoffen Benedikt Fengler, Prof. Dr.-Ing. Frank Henning 20.03.2015 Institut für Fahrzeugsystemtechnik - Lehrstuhl für Leichtbautechnologie KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie www.kit.edu Gliederung Vorstellung des Lehrstuhls Grundlagen der Optimierung Herausforderungen der Anisotropie Einfluss des E-Moduls Optimierungsstrategie Anwendungsbeispiel Zusammenfassung 2 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie FAST – Institut für Fahrzeugsystemtechnik Fahrzeugsystemtechnik Sicherheit Energieeffizienz Benutzerfreundlichkeit Kosteneinsparung Pkw & Nutzfahrzeuge Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Mobile Arbeitsmaschinen Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer Schienenfahrzeuge Prof. Dr.-Ing. Peter Gratzfeld Leichtbautechnologie Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Assoziierte Partner: 3 20.03.2015 Hybrid Electric Vehicle Fahrer-Fahrzeug Interaktion Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer Prof. Dr.-Ing. Barbara Deml Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie FAST-LBT Organisationsstruktur Institut für Fahrzeugsystemtechnik (FAST), Lehrstuhl für Leichtbautechnologie (LBT) Lehrstuhlleitung Prof. Dr.-Ing. Frank Henning Stellvertretende Lehrstuhlleitung , Leitung Young Investigator Group „Green Mobility“ Dr.-Ing. L. Kärger Endlosfaserverbunde Gruppenleiter A. Rösner Endlosfaser Umformung Fachliche Ansprechpartner 4 20.03.2015 Hybride F. Schirmaier ^^ Endlosfaser Formfüllung Langfaserverbunde B. Fengler Endlosfaser Struktur D. Magagnato A. Rösner Hybride Strukturen Langfaser Formfüllung Langfaser Struktur D. Hummelberger M. Hohberg B. Fengler Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Verzahnung von Methoden - Werkstoffen - Prozessen M ETHODS Engineering/Design Structure Simulation Process Simulation M A T E R I A L S COMPOSITE Fiber SOLUTIONS Matrix Additives, Filler, (…) PROCESSES Thermoplastic Thermoset LFT RTM-/RIM T-RTM Tapes SMC Inject. molding Fiber spraying Preforming Zur Entwicklung großserienfähiger, leichter und leistungsfähiger Faserverbund-bauteile sowie hybrider Bauteile ist es essentiell, Kompetenzen aus den Bereichen Methoden, Werkstoffe und Produktion (MWP-Ansatz) zu bündeln und zu vernetzen. 5 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie CAE-Kette - Langfaserverstärkte Kunststoffe CAE Kette zur Entwicklung von Bauteilen aus langfaserverstärkten Kunststoffen Systematischer Ansatz zur Betrachtung von Struktur- und Prozessfragestellungen Weiterentwicklung der Kommunikation zwischen den Softwaretools V I R T U AL Geometry S I M U L AT I O N L O W H AI N Mapping Process F C O F O I Part Assembly N F O R M A T I O N P T I M I Z A T I O N Topology/Topography 6 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Ablauf der Strukturoptimierung Preprocessing Aufbau eines Analyse Modells mit zusätzlichen Formulierungen für die Optimierung Optimierung Variation des Optimierungssetups erforderlich, falls keine Konvergenz erreicht wird Postprocessing Interpretation der Ergebnisse durch Anwender 7 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Formulierung eines Optimierungsproblems Optimierungsaufgabe: 𝑀𝑖𝑛 𝑓 𝑦 Einschränkungen: 𝑓: Zielfunktion 𝑦: Vektor der Entwurfsvariablen Beispiele: Ungleichheitsrestriktion 𝑔𝑖 𝑦 < 0 Masse kleiner 5 kg Gleichheitsrestriktion ℎ𝑗 𝑦 = 0 Verschiebung genau 3 mm Explizite Restriktionen 𝑦𝑘 𝐿 < 𝑦𝑘 < 𝑦𝑘 𝑈 Dicke 1-5 mm Ziel: Bestmöglicher Kompromiss 8 20.03.2015 𝑦∗ Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Zusammenhang Prozess und Struktur Prozess/ Formfüllung • • • Geometrie • Faserorientierungen Lokaler Faservolumengehalt Position von Fehlstellen • Veränderung mit jeder Iteration Anpassung zur Erreichung des Optimierungszieles Mechanische Eigenschaften • • 9 20.03.2015 Materialabhängige Kennwerte Geometrieabhängige Steifigkeiten Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Kontinuierlicher Abgleich - Prozess und Strukturoptimierung Materialverhalten (Anisotropie) Prozesssimulation Optimierung Bauteilgestalt Gekoppelte Simulation führt zu: Hoher Rechenaufwand Instabiler Prozess Alternative Strategie ohne Iterationen erforderlich 10 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Randbedingungen Vergleichsrechnung - Basismodell Träger mit Momentenbelastung als Vergleichsmodell Vergleichsrechnung mit drei Konfigurationen Isotrop Transversal Isotrop, bezgl. der YZ Ebene Anisotrop mit Streuung über Bauteil Ziel: Topologieoptimierung zur Generierung eines Rippenbildes unter Berücksichtigung der Faserorientierung 11 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Randbedingungen Vergleichsrechnung - Optimierung Topologieoptimierung Innenteil als Bauraum definiert (Design Space) Äußere Hülle bleibt von der Optimierung unverändert Äußerer Hülle wird für alle Rechnungen isotrop angenommen 1-Plane-Symmetry (ZX Ebene) Single Draw entlang der Z-Achse Optimierungsaufgabe Minimierung der mittleren Nachgiebigkeit 𝑀𝑖𝑛 𝑓 𝑦 = 𝑀𝑖𝑛 𝐶 𝜌 Beschränkungen Volumen des Designraumes auf max. 30 % des Ausgangsvolumens 12 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe 𝑔𝑖 𝑦 < 0.30 Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Prozesssimulation zur Erzeugung der Anisotropie Moldflow Simulation zur Erzeugung einer hohen Anisotropieverteilung im Bauraum Mapping der Ergebnisse auf das FE Netz mit Part Converse 13 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Vergleich der Berechnungsergebnisse Isotrop Isotrop über den gesamten Bauraum Transversal Isotrop Transversal Isotrop zur YZ Ebene Anisotrop Anisotropie aus Prozesssimulation Ergebnis der Berechnung ist abhängig vom Grad der Anisotropie 14 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Einfluss des E-Moduls auf das Optimierungsergebnis Annahmen: Bauraum ist isotrop mit konstantem E-Modul E = 1500 MPa E = 4500 MPa E = 13000 MPa Bei homogener Verteilung hat der E-Modul keinen Einfluss auf das Optimierungsergebnis 15 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Probleme durch prozessbedingte Anisotropie Vorzugsorientierungen sind zu Beginn der Bauteilentwicklung noch unbekannt Abschätzung teilweise möglich Hoher Aufwand beim Aufbau der Modelle Abhängigkeit zwischen Geometrie - Prozess - Mechanischen Kennwerten Benötigte Anzahl der Iterationen größer Bei homogener Verteilung, hat der E-Modul keinen direkten Einfluss auf das Optimierungsergebnis Optimierungsansatz für anisotrope Werkstoffe 16 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Optimierungsstrategie Phase 1: Modellbildung isotrop Phase 2: Konzeptentwicklung Phase 3: Konzeptfindung anisotrop Phase 4: Prozess Phase 5: Fine Tuning Phase 6: Auskonstruktion und Validierung 17 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Optimierungsstrategie Phase 1: Modellbildung Phase 2: Konzeptentwicklung isotrop anisotrop Phase 3: Konzeptfindung 18 20.03.2015 Modellaufbau Ziel: Rippenstruktur Ziel: Freiformflächen Ziel: Sickenstruktur Topologieoptimierung FreeSize Optimierung Topografieoptimierung Interpretation Interpretation Interpretation Erstellung Grobkonzept Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Optimierungsstrategie Phase 4: Prozess Prozesssimulation Mapping anisotrop Phase 5: Fine Tuning Size Optimierung Formoptimierung Phase 6: Auskonstruktion und Validierung FE Modell 19 20.03.2015 Volumenmodell Gesamtkonzept & FE Analyse Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Prozesssimulation Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel - Ausgangsbauteil Kupplungspedal Material: PA6 GF40 Ausgangsgewicht: 273 g Optimierungsaufgabe Minimierung mittleren Nachgiebigkeit Beschränkungen Bauraumhülle identisch mit Ausgangsbauteil Einschränkung der Masse auf 60% der Ausgangsmasse 20 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel - Definition der Lastfälle Bezeichnung Position Kraft [N] Gewichtung [%] Gerade Biegung OA Ganze Fläche 300 35 Gerade Biegung UA Ganze Fläche 300 35 Torsion links OA Linke Hälfte 300 5 Torsion links UA Linke Hälfte 300 5 Torsion rechts OA Rechte Hälfte 300 5 Torsion rechts UA Rechte Hälfte 300 5 Querkraft links Ganze Fläche 10 5 Querkraft rechts Ganze Fläche 10 5 hell: Design dunkel: Nondesign 21 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel - Topologieoptimierung Optimierungsaufgabe: Parameter Wert Netzgröße 𝐸0 1 mm Min. Filterdurchmesser 𝑑𝑚𝑖𝑛 3 mm Max. Filterdurchmesser 𝑑𝑚𝑎𝑥 9 mm Bestrafung 𝑝 8 Masseanteil 𝑚 𝑚0 Normierte Anfangsdichte 𝜌0 22 𝑀𝑖𝑛 𝐶 𝜌 20.03.2015 60% 0,6 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel Weitere Optimierungspfade liefern für diesen Anwendungsfall keine sinnvollen Ergebnisse FreeSize Topografieoptimierung Prozesssimulation Bestimmung der Faserorientierungen Übertragen der Ergebnisse auf das Strukturmodell (Mapping) 23 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel - Fine Tuning Reduktion von Spannungsspitzen durch lokale Formoptimierung Size Optimierung zur Bestimmung der Rippendicke 24 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Anwendungsbeispiel - Auskonstruktion und Vergleich 25 Referenzbauteil Optimiertes LFT Bauteil Masse 273 g 148 g Durchbiegung (300 N) 8,5 mm 6,3 mm 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Zusammenfassung Herausforderungen durch die Anisotropie wurden aufgezeigt Zusammenhang Prozess-Geometrie-Mechanische Kennwerte Beispielrechnungen zur Verdeutlichung des Einflusses der Faserorientierungen auf das Optimierungsergebnis Durch anisotropen Werkstoff hervorgerufene Herausforderungen können in der Optimierung bewältigt werden E-Modul hat keinen Einfluss auf die Optimierungsergebnisse Strategie zur Optimierung von Bauteilen aus anisotropen Werkstoffen Mehrstufige Vorgehensweise Isotrope und anisotrope Betrachtung notwendig Optimierungsstrategie wurde anhand des Anwendungsbeispiels nachgewiesen Gute Verbesserungen der Bauteileigenschaften konnten erzielt werden 26 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Kontakte - Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Karlsruher Institut für Technologie (KIT) FAST Institut für Fahrzeugsystemtechnik LBT Lehrstuhl für Leichtbautechnologie Rintheimer-Querallee 2, 76131 Karlsruhe, Germany Tel.: +49 (721) 608-45905 http://www.fast.kit.edu/ Lehrstuhlleitung Prof. Dr.-Ing. Frank Henning [email protected], Tel. +49 721 608 45905 [email protected], +49 721 4640 711 Stellvertretende Lehrstuhlleitung, Leitung YIG “Green Mobility” Dr.-Ing. Luise Kärger [email protected], Tel. +49 721 608 45386 27 Gruppenleiter Endlosfaserverbunde Andreas Rösner [email protected], Tel. +49 721 608 45388 Gruppenleiter Langfaserverbunde Benedikt Fengler [email protected], Tel. +49 721 608 45375 20.03.2015 Benedikt Fengler - Altair Anwendertreffen 2015 Optimierungsstrategie für anisotrope Werkstoffe Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Leichtbautechnologie
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