Computergestützte Methoden der Formoptimierung und ihre Einbettung in den Entwicklungszyklus versteifter Bleche im Automobilbau
Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aus Sicht des Antragstellers und des Kooperationspartners ist das Transferprojekt sehr erfolgreich verlaufen. Die Anwendung der FE-basierten Form- und Sickenoptimierung hat bei einer Vielzahl von Modellen zu absolut überzeugenden Ergebnissen geführt. Die einfache Modellerstellung und vor allem die Verwendung von Knotenkoordinaten der Finiten Elemente als Optimierungsvariablen haben zu völlig neuen Anwendungsfeldern für die Optimierungsmethode geführt. Die im Projektantrag formulierten Arbeitspunkte konnten in den wesentlichen Punkten erfolgreich umgesetzt werden. So wurden Nebenbedingungen für die Optimierung formuliert, welche die Einhaltung von Fertigungsrandbedingungen ermöglichen. Hierzu wird z.B. auf die Krümmungsrandbedingung oder die Auszugsbedingung verwiesen. Letztere sorgt dafür, dass bezüglich einer definierten Auszugsrichtung, z.B. der Bewegungsrichtung einer Tiefziehpresse, keine Hinterschnitte in der optimierten Geometrie auftreten. Tiefziehsimulationen haben gezeigt, dass die optimierten Bauteilgeometrien mit nur geringen Modifikationen ziehbar sind. Grundsätzlich konnte nachgewiesen werden, dass die FE-basierte Formoptimierung erfolgreich im Produktentwicklungszyklus eingesetzt werden kann. Das Projekt konnte dazu beitragen, dass die Verfahren reif für eine wirtschaftliche Verwertbarkeit sind. Industriell nutzbare Umsetzungen erfolgen. Die Entwicklung gerichteter Filterfunktionen wurde zwar algorithmisch umgesetzt, aber dann im weiteren Projektverlauf nicht weiter verfolgt. Zu Beginn des Projektes waren der Antragsteller und der Kooperationspartner davon ausgegangen, dass sich mit gerichteten Filterfunktionen längsförmige Sicken erzielen lassen und plateauförmige Sicken vermieden werden. Die gerichteten Filterfunktionen zeigen in der Tat eine Tendenz zu längsförmigen Sicken, allerdings werden diese Längssicken im weiteren Optimierungsverlauf doch wieder plateauförmig, wenn diese Plateaus für die Zielfunktion vorteilhafter sind. Es wird also durch die gerichteten Filterfunktionen im Wesentlichen der Optimierungsfortschritt gestört, während das Endergebnis mit den kreisförmigen Filterfunktionen vergleichbar ist. Ein weiterer Grund dafür die Strategie der ausgerichteten Filterfunktionen nicht weiter zu verfolgen waren Aussagen des Kooperationspartners bzgl. der Eignung der Sickenmuster für den Tiefziehprozess. In vielen Fällen sind plateauförmige Sicken besser für das Tiefziehen geeignet, da die Materialausdünnung kleiner ausfällt und somit die Gefahr von Rissen oder Verwerfungen sinkt. Sollte das Thema der gerichteten Sickenmuster nochmals behandelt werden, geht der Antragsteller aktuell davon aus, dass eine Formulierung über Nebenbedingungen, ähnlich der Krümmungsbedingung, deutlich zielführender ist. Durch eine solche Nebenbedingung lässt sich das Optimierungsproblem direkt beschränken was plateauförmige Sicken definitiv unterbindet und nicht nur behindert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Parameter free shape and thickness optimisation considering stress response", Structural and Multidisciplinary Optimization, (45) p. 801-814, 2012
S. Arnout, M. Firl, K.-U. Bletzinger
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"Regularization of shape optimization problems using FE-based parametrization", Structural and Multidisciplinary Optimization, (47) p. 507-521, 2012
M. Firl, R. Wüchner, K.-U. Bletzinger
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"Shape optimization of thin walled structures governed by geometrically nonlinear mechanics", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, (237-240) p. 107-117, 2012
M. Firl, K.-U. Bletzinger
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Innovative Formoptimierung in der Fahrzeugentwicklung, Automobiltechnische Zeitschrift (ATZ), 114. Jahrgang, 03/2012
M. Firl, M. Fischer, K.-U. Bletzinger, L. Harzheim
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Numerische Formoptimierung für effiziente Leichtbaustrukturen, lightweight design, 01/2012
M. Fischer, M. Firl, K.-U. Bletzinger
