Leichtbau mit Bionik – Bauteile leicht und dauerfest gestalten mit modernen Optimierungsverfahren Dipl.-Ing. Wolfgang Sachs, sachs engineering gmbh, Engen Leichtbau mit Bionik Page: 1 Das Unternehmen Sitz in Engen/Bodensee gegründet 1998 - Rechtsform GmbH seit 2003 12 Mitarbeiter Sachbearbeiter ausschließlich Ingenieure aus dem Fahrzeugbau, Maschinenbau und Bauwesen Schwerpunkte: FEM-Berechnung CAD-Konstruktion Optimierungsverfahren Leichtbau mit Bionik Page: 2 Referenzen Leichtbau mit Bionik Page: 3 Übersicht Bionik – einige Beispiele Leichtbau mit Biomechanik Optimierung mit Biomechanik Genetik und Evolution Zusammenfassung Leichtbau mit Bionik Page: 4 Bionik Das Wort Bionik ist ein Kunstwort und kombiniert die Begriffe Biologie und Technik. Als Wissenschaft beschäftigt sich die Bionik mit der Entschlüsselung von „Erfindungen der belebten Natur“ und ihre innovative Umsetzung in die Technik. Im Laufe der Evolution hat die Natur viele optimierte Lösungen für bestimmte mechanische, strukturelle oder organisatorische Probleme entwickelt. Die Bionik analysiert diese vorhandenen natürlichen Lösungen zunächst. Anschließend können die gefundenen Prinzipien aufbereitet und in einer abstrahierten Form der Technik zugänglich gemacht werden. Die Bionik stellt keine Blaupausen für die Technik bereit, sondern lebt vom Austausch von Experten aus verschiedenen Fachrichtungen: Leichtbau mit Bionik Page: 5 Bionik Kieselalgen Arachnoidiscus japonicus Autofelge Leichtbau mit Bionik Page: 6 Bionik in Deutschland www.biokon.de Thematische Fachgruppen B1 Architektur, Design B2 Leichtbau, Materialien B3 Oberflächen und Grenzflächen – Strukturen und Funktionen B4 Fluiddynamik, Fliegen, Schwimmen, Robotik, DAMS B5 Biomechatronik, Biomedizintechnik, Mikrosystemtechnik , Aktuatorik, Robotik B6 Sensorik, Informationsverarbeitung, Kommunikation B7 Bionische Optimierungsmethoden Leichtbau mit Bionik Page: 7 Anfänge der Bionik treetop relates to its bole • 1893 erste Arbeiten • lastangepasste Stammverjüngung proportional zum windinduzierten Biegemoment Leichtbau mit Bionik Page: 8 Bionik – Biomechanik in Karlsruhe Prof. Dr. Claus Mattheck Leichtbau mit Bionik Page: 9 Wachstumgesetze der Natur • Selektion durch Versuch und Irrtum • Adaptives Wachstum und das Axiom konstanter Spannung Leichtbau mit Bionik Page: 10 Prof. Mattheck´s Methoden Forschungszentrum Karlsruhe CAO Computer Aided Optimization Gestaltoptimierung FormUp.Shape FormUp.Topographie Optimierung der Dauerfestigkeit SKO Soft-Kill-Option Topologieoptimierung FormUp.Topologie Leichtbau FormUp Applikation für MSC.MARC und MSC.NASTRAN Leichtbau mit Bionik Page: 11 CAO-Beispiel Astgabel Leichtbau mit Bionik Page: 12 CAO-Beispiel Astgabel Leichtbau mit Bionik Page: 13 CAO-Zuglasche Leichtbau mit Bionik Page: 14 Platte mit Loch Leichtbau mit Bionik Page: 15 Shape Optimization CAO Mit freundlicher Genehmigung von: • Ziel Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung • Methode Biomechanik CAO nach Mattheck • Software FormUp.Shape Leichtbau mit Bionik Page: 16 Anwendungsbeispiel CAO Zahngeometrie 1. Optimierungsvariante ebener Zahngrund Leichtbau mit Bionik Page: 17 Anwendungsbeispiel CAO Zahngeometrie 2. Optimierungsvariante Zahngrund wird durch CAO gefunden Leichtbau mit Bionik Page: 18 SKO Beispiel Kragträger Designraum Leichtbau mit Bionik Page: 19 SKO Beispiel Kragträger Leichtbau mit Bionik Page: 20 SKO Beispiel Kragträger Kragträger mit verschiedenen Referenzspannungen Werkstoff- und Beanspruchungsgerechtes Design Leichtbau mit Bionik Page: 21 Topologie - Optimierung Mit freundlicher Genehmigung von: • Ziel Leichtbau • Methodik Biomechanik SKO nach Mattheck • CAE-Tool FormUp.Topologie Leichtbau mit Bionik Page: 22 Anwendungsbeispiel SKO Lenker B F Leichtbau mit Bionik Page: 23 Lagerbock für Sattelkupplung Die leichte, 20 t Sattelkupplung Robust, erprobt und zuverlässig Gewichtsoptimiert – bis 30 kg mehr Nutzlast Dauerhafte, wartungsfreie Lagerung Einfache und sichere Spielnachstellung Lagerbock Einfache Bedienung Option: Wartungsarmes Modell mit Kunststoffbelägen Leichtbau mit Bionik Page: 24 Lagerbock Sattelkupplung FEM Ausgangsbasis Gewicht 15 kg FEM optimiert Gewicht: 11,6 kg Leichtbau mit Bionik Page: 25 Lagerbock für Sattelkupplung Leichtbau mit Bionik Page: 26 Gewichtsoptimierung Motorlagerung 22 % Leichtbau mit Bionik Ma ss Page: 27 Re du ct i on Genetische Codes Dyn.Brücke • Ingo Rechenberg Evolutionäre Algorithmen (1964) - Rel. kleine Startpopulationen - Primär Mutation - lokales Fortschreiten (Gradientenklettern) • David E. Goldberg Genetische Algorithmen - große variationsreiche Populationen - Primär Rekombination - weitläufiges Suchen nach dem Optimum Leichtbau mit Bionik Page: 28 Ziel: Optimieren nach dem Vorbild der biologischen Evolution nichtlineare Optimierung – Beispiele der Aufgabenstellungen Bauteil Zielfunktion der Optimierung und/oder Nebenbedingung(en) Querlenker, Trägerrohr Gewicht, Spannung, Knickverhalten Türdichtung Materialeinsatz, Schließkraftverlauf Karosseriestrukturen Spannung, Lebensdauer, max. Energieaufnahme bei Versagen(Crashverhalten) Ventilschalter Spannungsverlauf, min. Reaktionskraft im Anschlag Strukturmechanische Optimierungsaufgaben mit Nebenbedingungen benötigen häufig nichtlineare Werkzeuge – Optimierungen mit lin. FE-Programmen wie Pro/E nicht mehr ausreichend. Leichtbau mit Bionik Page: 29 Genetische Optimierung Startpopulation Bewertung ? ? ? ? ? Crossover/Mutation ? Selektion Best-Ever Leichtbau mit Bionik Page: 30 Nichtlineare Optimierungen Parametisches Bauteil in Pro/E neue Generation mit geänderten Parametern Bestimmung Fitnesswert Vernetzung, BC´s in Pro/Mesh Übergabeformat Nastran Verformung [mm] Nichtlineare FE-Analyse in MSC.MARC Leichtbau mit Bionik Page: 31 Parameteroptimierung Parameteroptimierung Fitness POST-Pro. Parameter NASTRAN Bulk Data nl. Analyse MSC.MARC Leichtbau mit Bionik PRO/E OPT.-Software MSC.MENTAT PRO/MESH Page: 32 Referenzen Automotive Alcan Singen GmbH Fahrwerksteile Hilfsrahmen Konzeptentwicklung, Berechnung und Optimierung BTR Sealing Systems, Lindau DGS Druckguss Systeme St. Gallen (CH) Dienstleistungen Dichtungstechnik Nichtlineare Analysen GPM GmbH, Merbelsrod Nichtlineare Analysen Handbremsmodule Berechnung Wasserpumpengehäuse GF Fahrzeugtechnik, div. Fahrwerksteile, Getriebe und Motorträger Topologieoptimierungen - Schaffhausen (CH) Nichtlineare Berechnungen Iveco Motorenforschung, Arbon (CH) Berechnung Zylinderkopf und Motorblock verschiedener Motorteile und Anbauteile für Aggregate Knorr Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH, Berechnung Systemkomponenten in Bremssystemen Leiber oHG, Emmingen Entwicklung Fahrwerkskomponenten Reinz Dichtungstechnik, Ulm Optimierung Zylinderkopfdichtung L’Orange, Stuttgart Berechnung kompletter Einspritzsysteme, Steifigkeitsuntersuchungen, Kontaktberechnungen sehr großer Modelle zB. Pumpengehäuse ZF Friedrichshafen AG ZF Lenksysteme, SHG ZF Sachs AG, Schweinfurt Optimierung Verzahnungsgeometrie und Getriebeteile Lenkgehäuse, Berechnung und Optimierung Berechnung und Optimierung im Bereich Doppelkupplung Volkswagen AG, Wolfsburg Entwicklung Fahrwerksteile Leichtbau mit Bionik Page: 33 Zusammenfassung •In der Simulation ist es heutzutage nicht mehr ausreichend den Zustand zu analysieren – eine zielgerichtete Optimierung ist vielmehr gefordert •Für Topologie- und Gestaltoptimierung haben sich bionische Wachstumsgesetze bewährt. Damit sind Leichtbau- und Dauerfestigkeitsaufgaben zu lösen •Für nichtlineare Optimierunsaufgaben ist ein geschlossener Kreislauf CAD-FEM von Vorteil. Ein hochwertiges FEM-Tool ist nötig. •FEM-Software ist im Bereich der Analyse auf einem hohen Standard – für Optimierungsaufgaben gibt es jedoch noch wenig ausgereifte Software •sachs engineering unterstützt Sie bei der Umsetzung ihrer Optimierungsaufgaben Leichtbau mit Bionik Page: 34 Danke für Ihre Aufmerksamkeit weitere Informationen: www.sachs-engineering.de [email protected] Tel. 0049 7733 978950 Leichtbau mit Bionik Page: 35
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