Aus der Praxis:

DAS RICHTIGE WERKZEUG FÜR EIN OPTIMALES DESIGN

Die virtuelle Produktentwicklung unter Nutzung moderner Simulations- und Optimierungssoftware ermöglicht die effiziente Findung eines optimalen Bauteildesigns, sowohl für rein mechanische Belastungen als auch komplexere, multifunktionale Anforderungen. Ingenieuren und Entwicklern steht hierzu eine breite Auswahl an CAE-Software verschiedener Anbieter zur Verfügung. Darüber hinaus können auch alternative Ansätze zur Findung einer optimalen Bauteilgeometrie, wie z. B. die Bionik, die ausgereifte Funktionsprinzipien aus der Natur für technische Anwendungen aufgreift, in der Entwicklung eingesetzt werden.

In der Praxis stellt sich für viele Anwender zwangsläufig die Frage, welche Methode und welches Tool die besten Lösungsvorschläge für das konkrete vorliegende Vorhaben bereitstellt. Eine einfache Antwort auf diese Frage kann natürlich nicht so einfach gegeben werden…so hängen die Optimierungsresultate sehr stark vom jeweiligen Anforderungsprofil und den gewählten Einstellungen ab. Zudem werden die angebotenen CAE-Softwarelösungen kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert, so dass ein Vergleich nur einen aktuellen kurzfristigen Stand wiederzugeben vermag. Schlussendlich spielen neben der reinen Funktion des Bauteils auch andere Faktoren, wie die Fertigbarkeit, die Praktikabilität, das Aussehen oder auch spezifische Vorgaben aus Normen und Richtlinien wichtige Rollen für den späteren Erfolg einer Entwicklung. Ein funktional volloptimiertes Design, wie z. B. die tragfähigste Struktur mit einer bestimmten Zielmasse, ist daher oft nicht die beste Lösung.

Als Unternehmen, dass sich alltäglich mit strukturmechanischen und fluiddynamischen Optimierungsproblemen auseinandersetzt, ist die genaue Kenntnis des aktuellen Standes der Technik von elementarer Bedeutung. Stetig überprüfen und verbessern wir unser Toolset, dass wir in unseren Projekten einsetzen. Neben der Güte der Optimierungsvorschläge, sind für uns auch die Ausgereiftheit der Software und der angebotenen Funktionalitäten, die effektiven Berechnungszeiten sowie unterstützte Exportmöglichkeiten von großer Bedeutung. Dies treibt uns dazu an, immer wieder Benchmark-Studien durchzuführen, in denen wir verschiedene Konzepte, Tools und Methoden miteinander vergleichen und bewerten.

Vor kurzem haben wir die aktuell relevantesten strukturmechanischen Optimierungstools für insgesamt drei konkrete Lastfälle umfassend analysiert. Die Studie lieferte zum Teil sehr erstaunliche Ergebnisse. Bereits für den einfachen Fall eines 2-Punkt Biegebalkens errechneten die verschiedenen Tools und Methoden stark unterschiedliche Designvorschläge mit unterschiedlicher mechanischer Performance. So variiert die Steifigkeit der verschiedenen Balkenkonzepte bei konstanter vorgegebener Masse und gleichem Grundmaterial um ganze 70 %. Einige Ansätze führten sogar zu schlechteren bzw. wenig besseren Ergebnissen gegenüber einem einfachen Doppel-T-Trägerdesign – häufig aus dem Grund, dass Nichtlinearitäten im Optimierungsprozesses nicht adäquat abgebildet werden (können). Für einen „fairen“ Vergleich wurden alle errechneten Designs in der gleichen FE-Umgebung analysiert. Noch größere Variationen sind bei komplexen Lastfällen und Anforderungen, wie sie in der Praxis meistens vorliegen, zu beobachten. Hinsichtlich Bedienerfreundlichkeit und Ausgereiftheit sind ebenfalls sehr große Unterschiede zwischen den verschiedenen Softwaretools zu verzeichnen. Insbesondere der Schritt der Nachmodellierung des Optimierungsvorschlages erforderte zum Teil sehr viel Geduld von unseren Ingenieuren und den einen oder anderen ungewollten Systemneustart…

Die Studie zeigt die hohe Komplexität, die sich bei der Optimierung von Bauteilen bereits für einfachste Anforderungsprofile ergibt. Die große Auswahl an Optimierungstools und Methoden sowie die hohen Anforderungen an die „richtige“ Nutzung der Software benötigen entsprechendes Know-How und Erfahrung vom Anwender. Darüber hinaus gilt es bei der Findung einer optimalen Lösung auch den Werkstoff sowie die spätere Fertigbarkeit einschließlich Vor- und Nachbearbeitungsaufwänden in einem Gesamtkonzept mit dem Design genau abzustimmen.

In der abschließenden Betrachtung zeigte sich für uns ein klarer Trend – sowohl was die Güte des Optimierungsergebnisses als auch die Bedienerfreundlichkeit und Ausgereiftheit des jeweiligen Tools betrifft. Die genaue Bewertung, welche Lösung die beste ist, hängt jedoch auch von den individuellen Bedürfnissen und Eigenheiten des unternehmensinternen Produktentwicklungsprozesses ab. Wir selbst greifen in unseren Projekten auf eine Vielzahl an eingekauften sowie auch eigens entwickelten Tools und Methoden zurück, um der großen Variabilität an Anwendungsfeldern und technischen Problemen in unserem Alltag bestmöglich gerecht zu werden.

Vergleichende Gegenüberstellung der errechneten Designkonzepte für den Fall 2-Punkt-Biegung.

Seitenansicht der besten vier Designkonzepte für den Fall 2-Punkt-Biegung.

Perspektivansicht der besten vier Designkonzepte für den Fall 2-Punkt-Biegung.

Jedes Designkonzept wurde für einen fairen Vergleich in derselben FE-Umgebung hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften analysiert.

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