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Simulation - Einfache Topologieoptimierung

SimulationEinfache Topologieoptimierung

Für die Entwicklung von technisch hochwertigen und innovativen Produkten ist vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) eine hohe Produktivität wettbewerbsentscheidend. Das größte Potential verbirgt sich dabei in der Einsparung von Materialkosten sowie der Verringerung von Entwicklungszeiten. Um dies zu erreichen, ist ein konsequenter Einsatz von modernsten Simulationsverfahren im Produktentwicklungsprozess notwendig.

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Topologieoptimierung

Ein geeignetes Werkzeug, um Iterationen aus virtuellen und realen Prototypen bei der Entwicklung zu reduzieren und gleichzeitig Material einzusparen, stellt die Topologieoptimierung dar. Dabei wird sie im virtuellen Produktentwicklungsprozess in der Konzeptphase eingesetzt. Der Produktentwickler besitzt hier die höchste Gestaltungsfreiheit sowie das höchste Einsparpotential bezüglich der genannten Aspekte.

Am Markt existieren bereits diverse kommerzielle Programme, die allerdings gerade für KMU hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten verursachen. Des Weiteren fehlt häufig das notwendige Expertenwissen, diese komplexen Programme zu bedienen. Die Lücke, dass Produktentwickler von KMU Erfahrungen im Umgang mit der Topologieoptimierung sammeln können, will der Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth schließen – mit der kostenfreien Topologieoptimierungssoftware Z88Arion. Bei der Realisierung der Software wurde ein hoher Wert auf die benutzerfreundliche Oberfläche gelegt, die ein einfaches und schnelles Pre- und Postprozessing erlaubt, ähnlich dem etablierten Freeware Finite-Elemente-Analyse-Programm Z88Aurora.

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Zwei Optimierungsmöglichkeiten
Für die Topologieoptimierung, deren Ziel es ist diskrete 0-1-Strukturen zu berechnen, wobei „0“ ein finites Element ohne Material und „1“ ein finites Element mit Material darstellt, stehen in Z88Arion zwei verschiedene Optimierungsmöglichkeiten zur Verfügung: die Maximierung der Steifigkeit bei einem bestimmten relativen Volumen und die Maximierung der Steifigkeit mit nachgeschalteter Spannungsoptimierung.

Bei der ersten Optimierungsvariante wird das weitverbreitete Optimalitätskriterien-Verfahren eingesetzt. Die Steifigkeits- und gleichzeitige Spannungsoptimierung basiert hingegen auf einem am Lehrstuhl eigens entwickeltem Hybrid-Algorithmus. Das Grundprinzip dabei ist, dass ein steifigkeitsoptimiertes Bauteil nachträglich einer Spannungsoptimierung unterzogen wird, wobei – ähnlich der biologischen Wachstumsregel – Material an unterbelasteten Stellen entfernt und an überbelasteten Stellen hinzugefügt wird.

Wie läuft aber nun eine Topologieoptimierung ab? Ausgehend von einem vorkonstruierten Bauraum-Modell muss dieses diskretisiert und anschließend mit Randbedingungen (Last und Lagerungen) versehen werden. Daraufhin sind die Optimierungseinstellungen zu wählen. Bei der in Abbildung 1 dargestellten Prozesskette der Optimierung ist beispielsweise das Ziel die Maximierung der Steifigkeit mit anschließender Spannungsoptimierung, ausgehend von einem relativen Volumen von 70 Prozent.

Der durch die Optimierung entstehende Designvorschlag dient schließlich dem Produktentwickler in erster Linie als Vorlage, wie das beste Design für den jeweiligen Belastungsfall aussehen könnte. Zu beachten bei einer Topologieoptimierung ist jedoch, je nachdem wie die Einstellungsparameter gewählt werden, entsteht ein anderer Designvorschlag. Bei Z88Arion muss sich der Benutzer aber keine Sorgen um die „richtigen“ Einstellungen machen, da diese einerseits in der ausführlichen Dokumentation beschrieben sind und andererseits direkt im Programm als Tool-Tip erscheinen. -sg-

Universität Bayreuth, Bayreuth, Tel. 0921/55-7144, www.uni-bayreuth.de

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