Optimierung OPEL Führungsschiene

Opel LogoDieses Projekt zeigt die Anwendung der Formoptimierung auf ein Gussbauteil. Die hier betrachtete Führungsschiene wurde im Auftrag der Adam Opel AG untersucht. Die Optimierung hatte das Ziel, lokale Spannungskonzentrationen in Kerbbereichen abzubauen.

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ModelldatenOpel XXX Führungsschiene

Modellformat: NASTRAN

mechanisch equivalent gelagertes Teilmodell

Anzahl der FE-Knoten: 181.000

FE-Elemente:

  • 108000 TETRA10
  • 29000 TRIA6

Lasteinleitung über zentrales RBE

Solidmodell mit Schalenelementen auf der Oberfläche. Die Schalenelemente werden zur Berechnung der Oberflächenspannungen herangezogen.

 

Strukturanalyse

Zur Bewertung des Ausgangszustandes wurde das Modell einer linearen Strukturanalyse unterzogen. Dabei wurde das Bauteil durch eine Knotenkraft auf dem zentralen RBE Knoten belastet und and hinteren Rändern der Box unverschieblich gelagert. Durch die quadratischen Ansätze der verwendeten Elemente ist eine hohe Ergebnisqualität auch bei der Verwendung von Trias und Tetras gewährleistet. In den unteren Bildern ist die Verformung (skaliert) und der Spannungsverlauf an der zu optimierenden Kerbe dargestellt.

Opel XXX Führungsschiene, Deformation Opel XXX Führungsschiene, Spannungen

 

OptimierungsmodellOpel XXX Führungsschiene, Designraum

Der Designraum für die Optimierung erstreckt sich über den farblich hervorgehobenen Bereich an der Ober- bzw. Unterseite des Übergangsbereiches vom mittigen Balken in den Rahmen. Als Optimierungsvariablen sind die Flächennormalen der 2006 Oberflächenknoten definiert.  Das Optimierungsziel ist die Minimierung der Oberflächenspannungen (vMises Vergleichsspannungen). Hierbei werden die Spannungen der einzelnen Elemente in einer Kreisselmeier-Steinhauser Formulierung erfasst. Während der Optimierung wird das Netz sowohl an der Oberfläche als auch im inneren ständig adaptiert, um Netzverzerrungen zu minimieren. Dies ist von großer Bedeutung, da sonst numerische Versteifungseffekte auftreten, die das Ergebnis verfälschen.

 

Optimierungsergebnis

Der Vergleich zwischen der Ausgangsgeometrie (links) und der optimierten Geometrie (rechts) zeigt eine deutliche Verstärkung des Querschnittes im blau dargestellten Entwurfsgebiet. Zudem wird die sehr gute Netzanpassung sichtbar. Diese garantiert minimale Elementverzerrungen und ist für eine exakte Analyse unbedingte Voraussetzung.

Opel XXX Führungsschiene, Ausgangskontur

Opel XXX Führungsschiene, optimierte Kontur

Die Auswirkungen des verstärkten Querschnittes für den Spannungsverlauf auf den Ober- bzw. Unterseite werden in den folgenden Abbildungen verdeutlicht. Für den Konturplot wurde der selbe Wertebereich wie für den Spannungsplot der Ausgangsgeometrie verwendet. Dadurch wird die erhebliche Verminderung der Oberflächenspannungen ersichtlich. In diesem Anwendungsfall konnte die vMises Vergleichsspannung auf der Oberflache durch die Optimierung um 33% reduziert werden. Zudem weist die optimierte Geometrie keine lokalen Spannungskonzentrationen mehr auf.

Opel XXX Führungsschiene, optimierte Kontur, Spannung oben Opel XXX Führungsschiene, optimierte Kontur, Spannung unten

 

Fazit

Dieser Anwendungsfall zeigt die effiziente Minimierung von Oberflächenspannungen durch den Einsatz numerischer Formoptimierung. Durch die Optimierung wurden die Querschnitte in den hoch belasteten Bereichen sinnvoll verstärkt, was zu einer Minimierung der Oberflächenspannung um 33% und zu einem gleichmäßigen Spannungsverlauf führt. Durch die verringerte Oberflächenspannung wird die Materiabelastung deutlich reduziert und die Lebensdauer des Bauteiles erheblich verbessert.