XCARAT
XCARAT ist eine Berechnungssoftware die einen FE-Solver sowie einen Strukturoptimierer beinhaltet. Damit lassen sich Verfahren zur Strukturoptimierung (Form-, Sicken-, Topologie- und Querschnittsoptimierung) in diverse Inhouse Workflows für Simulation sowie Pre- und Postprocessing integrieren. XCARAT unterstützt dabei gängige Formate (MSC Nastran, MSC Patran uvm.) für den Im- und Export von FE- und Geometriedaten. Darüber hinaus steht neben einer eigenständigen Workbench ein Plug-in für die Ansys Workbench zur Verfügung.
Die Berechnungssoftware zeichnet insbesonders aus, dass Bauteile mittels parameterfreier Formoptimierung besonders effektiv verbessert werden können. Dies ermöglicht die implementierte Methode zur Netzregularisierung, welche die FE-Netz Güte sowohl in der Ebene als auch orthogonal zur Oberfläche kontrolliert bzw. regularisiert. Neben den gängigen Zielfunktionen Masse, Steifigkeit, Spannungen usw. die in XCARAT enthalten sind, ermöglicht die offene Python-Schnittstelle eine einzigartige Möglichkeit neue Zielfunktionen zu entwickeln und direkt in die Optimierungssoftware einzubinden. Somit bietet dieses Softwarepaket die perfekte Grundlage kundenspezifische Sonderlösungen zu entwickeln, welche unkonvertionelle Optimierungsansätze voraussetzen.
Alle Optimierungsarten in einer Anwendung
Die Formoptimierung (Shape optimization) stellt ein sehr effizientes Werkzeug für den Entwurf einer optimalen Bauteilgeometrie dar. Die FE-basierte Parametrisierung gewährleistet eine schnelle Modellierung und ermöglicht flexible Lösungen.
Die Formoptimierung kann für eine Vielzahl von Bauteilen angewendet werden, z.B. Schalenbauteile und Solidbauteile. Geeignete Nebenbedingungen wie z.B. Bauraum- und Krümmungsbeschränkungen sowie die Netzregularisierung gewährleisten robuste und hoch performante Ergebnisse.
Bild: Fahrwerksdruckschott A350 – Mit freundlicher Genehmigung der AIRBUS S.A.S
Mittels
Sickenoptimierung (Topography optimization) lassen sich optimale Sickenmuster bestimmen. Diese optimalen Sicken sind den aus der Erfahrung abgeleiteten Sickenmuster im Allgemeinen deutlich überlegen.
Für die Sickenoptimierung stehen eine Vielzahl von Entwurfzielen zur Verfügung, z.B. maximale Steifigkeit, optimales Schwingungsverhalten, Minimierung von Spannungen und vieles mehr. Durch Fertigungsrestriktionen werden robuste und gut interpretierbare Ergebnisse sichergestellt.
Bild: Hutablage – Mit freundlicher Genehmigung der Adam Opel AG
In der frühen Entwurfsphase können mit der Topologieoptimierung (Topology optimization) effiziente Designs für das zu entwickelnde Bauteil berechnet werden. Diese Designs bilden die optimale Materialverteilung im Bauraum nach und gewährleisten somit hohe Tragfähigkeit bei geringer Masse.
Fertigungsrestriktionen gewährleisten eine problemlose Umsetzung der Optimierungs-ergebnisse in eine neue CAD Geometrie. Dieses neue Bauteildesign kann dann durch Formoptimierung weiter verbessert werden.
Bild: Maschinenträger – Mit freundlicher Genehmigung von Senvion GmbH
Für die Berechnung der optimalen Querschnittsparameter, z.B. Blechdicken, Schichtdicken oder Balkenquerschnitte, wird die Querschnittsoptimierung (Sizing optimization) eingesetzt. Mit dieser Methode kann z.B. die Effizienz von geschweißten Blechkonstruktionen massiv verbessert werden.
Ebenso lassen sich auf diese Weise komplette Fachwerkkonstruktionen optimal auslegen. Hierbei können sowohl einzelne Elementquerschnitte als auch die Querschnitte ganzer Bauteile, z.B. Blechfelder, optimiert werden.
Bild: Schweißbaugruppe – Mit freundlicher Genehmigung der TAKRAF GmbH
XCARAT Workbench
XCARAT wird mit einer eigenständigen Workbench geliefert. Diese bietet eine vollständige Oberfläche für die Erstellung und Lösung von Optimierungsproblemen. Die Workbench wird für die Plattformen Windows und Linux angeboten und enthält einen voll integrierten Optimierungssolver. Das enthaltende Datenmanagementsystem ermöglicht eine gleichzeitige Bearbeitung von verschiedenen Projekten und Parametervariationen.
Die zur Verfügung stehenden Optimierungsarten sind:
- Formoptimierung (Shape optimization)
- Sickenoptimierung (Topography optimization)
- Topologieoptimierung (Topology optimization)
- Querschnittsoptimierung (Sizing optimization)
Unterstützung gängiger FE- und Geometriedaten:
- Ansys
- MSC Nastran
- NX Nastran
- MSC Patran
- GiD
- STL
Durch die Unterstützung gängiger Formate für den Import und Export von FE- und Geometriedaten lässt sich die XCARAT Workbench in diverse Inhouse Workflows integrieren.
Multi-Plattform Windows/Linux
Es werden die 64bit Plattformen von Windows und diverser Linux Distributionen unterstützt. Die Liste der unterstützten Plattformen wächst ständig und ist auf Anfrage erweiterbar.
XCARAT Workbench unter Windows 
XCARAT Workbench unter Linux
Smartes Projektdatenmanagement
In der XCARAT Workbench können vielfältige Optimierungsprojekte gleichzeitig bearbeitet werden. Der integrierte Solver erlaubt das parallele Lösen von Projekten, je nach Kapazität der eingesetzten Hardware. Die XCARAT Workbench Oberfläche unterstützt außerdem eine Multiprojektbearbeitung durch umfangreiche Funktionen, wie z.B. Importe/Exporte, Verlinkung, Archivierung, parallele Ansichten, Gruppierungen, uvm.
Headless Solver
Durch den XCARAT Headless Solver lassen sich Optimierungslösungen im Rahmen von Batchprocessing ermitteln. Damit wird die Integration in externe Workflows ermöglicht. Darüber hinaus können so spezielle Rechenserver oder High Performance Cluster verwendet werden.
XCARAT Plug-in für Ansys Workbench
Mit dem XCARAT Plug-in für Ansys Workbench erhalten Sie die nahtlose Integration eines Optimierungsmodells in die Oberfläche und den Workflow der Ansys Workbench. Mit wenigen Schritten lässt sich der Optimierungssolver in das Projektschema einfügen, ein Optimierungsproblem in Ansys Mechanical formulieren und ein Lösungsprozess starten. Dabei kann auf die selben Optimierungsarten wie in der eigenständigen Workbench zurückgegriffen werden.
Das Optimierungsmodell lässt sich in gewohnter Ansys Usability erstellen und lösen. Entsprechende Schaltflächen sind in die Mechanical Oberfläche integriert. Andere Projektentitäten wie Analysen oder Komponenten können nahtlos zur Modellierung des Optimierungsproblems im Rahmen des Preprocessings herangezogen werden.
Im Grafikfenster werden Auswahlmöglichkeiten auf der Geometrie ermöglicht. Hier erfolgt auch die Visualisierung von Optimierungs-ergebnissen wie Spannungen, Verformungen oder Dichteverteilung im Postprocessing. Die Optimierungsmodelle werden vollständig mit den Ansys Projektdaten gespeichert.
Eine direkte Integration von XCARAT in Ansys Workbench vereinfach und verbessert nicht nur den Entwicklungsprozess von Bauteilen, sondern ermöglicht auch die Optimierung von bereits bestehen Modellen.
Einfache Integration der Projektdaten
Die Projektdaten der Optimierung lassen sich bei Bedarf einfach über Import oder Verlinkung in XCARAT Workbench übertragen und in alternativen Workflows weiterverarbeiten.
Ein Projekt – Alle Optimierungsarten
Mit der XCARAT Act Extenstion können im Projekt Schema der Ansys Workbench die zur Verfügung stehenden Optimierungsarten vielfältig kombiniert werden. Ein oder mehrer Optimierungssysteme können mit der jeweiligen Analyse verknüpft und gelöst werden.
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