Finite-Elemente-Strategien zur Berücksichtigung des elastischen Umfeldes in der Topologieoptimierung
Beitrag zur steifigkeitsoptimierten Auslegung von Antriebstechnikkomponenten auf Basis von Z88
Daniel Billenstein
Die isolierte Betrachtung von einzelnen Bauteilen ist oftmals aufgrund der fehlenden Interaktion mit benachbarten Komponenten – dem sogenannten elastischen Umfeld – nicht realitätsnah. Aus diesem Grund wurde hierfür im Rahmen dieser Dissertation ein eigener Lösungsansatz zur umfeldgestützten Komponentenoptimierung auf Basis des FE-Systems Z88 erarbeitet und entsprechende FE-Modellierungsstrategien umgesetzt.
Der in Z88 berechenbare Detaillierungsgrad reicht dabei je nach Modellierungsvariante (Kontakt- oder Koppelbedingungen) von der alleinigen Abbildung des globalen Systemverhaltens bis hin zur Auflösung lokaler Effekte innerhalb der Kontaktzone. Die Effizienz dieser Anbindungsstrategien wird dabei über sogenannte statische Reduktionsalgorithmen garantiert, die auf Basis von mathematischen Umformulierungen die Ordnung des elastischen Umfeldes bei gleicher Abbildungsqualität verringern können. Diese umgesetzte, durchgehende Berechnungskette – von der effizienten FE-Baugruppenmodellierung mit Z88 bis hin zur Integration dieser Konzepte in einen Z88-Optimierungsprozess – wurde basierend auf den Ergebnissen mehrerer Parameterstudien so kalibriert, dass sowohl numerische als auch Abbildungsfehler – zum Beispiel in Gestalt von Kontaktsteifigkeits-Stegen – vermieden werden können.
Das Potential dieser eigenentwickelten umfeldgestützten Komponentenoptimierung als ein effizientes Werkzeug im konstruktiven Leichtbau wurde abschließend an dem Pleuel eines Zweitakt-Motors aufgezeigt.
Die Designvorschläge der isolierten und umfeldgestützten Komponentenoptimierung bestätigen schließlich die bei ähnlichem Berechnungsaufwand insgesamt realitätsnähere Modellbildung der eigenentwickelten umfeldgestützten gegenüber der klassischen isolierten Komponentenoptimierung.
