Bionische Optimierung - Optimizer

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Bionische Optimierung - Was wir von der Natur lernen können

Bionischer Leichtbau

Der Bionische Leichtbau ist ein neuer Teilbereich der SinusPro. Die SinusPro hat dabei ihren eigenen Lösungsansatz.

Bionic Lightweight Design Process:

In der Biologie kommt es infolge der Evolution zu laufenden Optimierungen einer Art. Das ist aber nicht der einzige Optimierungsvorgang, der in der Natur abläuft, z.B.: wachsen Bäume oder Knochen so, dass die Beanspruchungen optimal auf das Material verteilt werden.

Die Nachbildung solcher Optimierungen zur Belastungsverteilung am Computer ist mittlerweile auch für Bauteile im Maschinenbau und hier vor allem im Leichtbau möglich und Stand der Technik.


Beispiel Fachwerkbrücke:

In einer solchen computergestützten Topologieoptimierung wird in einem gegebenen Bauraum (Bild 1) und für ein gegebenes Zielgewicht für eine oder auch mehrere Belastungen die Materialverteilung mit der höchsten Steifigkeit gesucht.

An einem Beispiel kann dieser Prozess demonstriert werden: der für die Fachwerkbrücke verfügbare Platz wird als 3D-FEM-Solid-Struktur bereitgestellt (grüner Bauteil im Bild 2).

Die von SinusPro eigens entwickelte Optimierungssoftware „SinusPro - Optimizer“ ermittelt aufgrund der auftretenden Deformationsarbeit, welche Elemente weniger wichtig und welche Elemente wichtiger für eine möglichst steife Struktur sind.

In der Folge werden in jedem Schritt die weniger wichtigen Elemente weicher und weicher gemacht und die wichtigeren Elemente härter und härter.

Schrittweise nähert sich die Struktur so dem optimalen Ergebnis, indem zum Schluss nur noch die "harten" und tragenden Elemente übrig bleiben.

Die entstandene Struktur "wächst" somit im vorhandenen Bauraum optimal steif, so wie ein Baum optimal wächst, um möglichst viel Licht mit möglichst wenig Material (und somit Aufwand) zu bekommen.

Die noch nicht produktionsgerecht optimierte Geometrie liefert die Idee für die zu konstruierende Struktur. Im Beispiel wird entlang des, bei der Optimierung verbliebenen Materials, ein fertigbares Fachwerk aufgebaut, welcher bereits beim ersten Designloop eine optimale Steifigkeit besitzt. Somit konnten bei der Brücke 18% Material eingespart und die Verformungen um 15% verringert werden.

Die Ingenieure der SinusPro haben aufgrund der selbst entwickelten Software genaue Kenntnis darüber, was das Programm tut, und sie haben weiters die Erfahrung, die zum Teil komplexen Ergebnisse der numerischen Optimierung richtig zu interpretieren und in die Sprache des Konstrukteurs zu „übersetzen".

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Bild 1: Ursprüngliche Brücke als CAD-Modell


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Bild 2: Bauraum als FEM-Modell


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Bild 3: Reststruktur nach der Optimierung


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Bild 4: Konstruktion des Rahmens entlang

der Reststruktur

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Bild 5: Ergebnis: Auskonstruierter Rahmen


Beispiel: Optimaler Fahrgastzellenrahmen

An einem weiteren Beispiel kann dieser Prozess demonstriert werden: der für die Erstellung eines Fahrgastzellenrahmens verfügbare Platz wird als 3D-FEM-Solid-Struktur bereitgestellt (grüner Bauteil im Bild 1). Die vier Belastungen (Kurve links/rechts und Beschleunigen/Bremsen) werden auf die Räder aufgebracht und eine erste Berechnung wird durchgeführt.

Die noch nicht produktionsgerecht optimierte Geometrie liefert die Idee für die zu konstruierende Struktur. Im Beispiel wird entlang des, bei der Optimierung verbliebenen Materials, ein fertigbarer Rohrkäfig aufgebaut, welcher bereits beim ersten Designloop eine optimale Steifigkeit besitzt.



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Bild 1: Bauraum als FEM-Modell

bild2

Bild 2: Mesh während der Optimierung

bild3

Bild 3: Reststruktur nach der Optimierung

bild4
Bild 4: Konstruktion des Rahmens entlang
der Reststruktur

Bild 5: Ergebnis: Auskonstruierter Rahmen

Bild 6: Bauraum (grün) und

auskonstruierter Rahmen

Ansprechperson

Dipl.-Ing. (FH) Dominik Fleischhacker

BU Manager Bionic Optimization