DE10053299A1

DE10053299A1 - Verfahren zur Konstruktion eines Bauteils und Wischanlagenbauteil

Info

Publication number: DE10053299A1
Application number: DE10053299A
Authority: DE
Inventors: Joachim Zimmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2002-05-16
Also published as: DE10194736D2; WO2002035476A2; AU2002212084A1; WO2002035476A3; EP1334447A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Bauteils. DOLLAR A Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: DOLLAR A a) Konstruieren eines Designraummodells; DOLLAR A b) Anwenden eines auf der Finite-Elemente-Methode basierenden Strukturoptimierungsverfahrens auf das Designraummodell, um ein strukturoptimiertes Modell zu erzeugen; und DOLLAR A c) Anwenden eines 3-D-Konstruktionsverfahrens auf das strukturoptimierte Modell, um ein 3-D-Modell zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Bauteils. Ferner betrifft die vorlie gende Erfindung ein Wischanlagenbauteil für die Wischan lage eines Kraftfahrzeuges.

Stand der Technik

Die Konstruktion von geometrisch komplexen Bauteilen erfolgt derzeit überwiegend mit Hilfe von CAD-Systemen. Mit Hilfe dieser Systeme werden die Bauteile als 3D- Modelle erzeugt. Um festzustellen, wo die hoch belasteten und die nur wenig belasteten Bereiche des Bauteils liegen werden die 3D-Modelle mit Hilfe der Finite-Elemente- Methode rechnerisch überprüft. Der Grundgedanke der Fini te-Elemente-Methode besteht darin, beliebig geformte Körper in eine endliche Anzahl von Elementen zu unter gliedern, um ihr mechanisches Verhalten zu beschreiben. Die endliche Anzahl der Elemente lässt sich aufgrund ihrer einfacheren Form bezüglich ihres mechanischen Ver haltens idealisiert betrachten. Aus dem Verhalten aller einzelnen Elemente kann, unter Berücksichtigung der Kom patibilität an den Elementübergängen, eine Aussage über das mechanische Gesamtverhalten des Körpers getroffen werden. Ein kontinuierliches Problem wird somit in ein diskretes Problem überführt und darüber approximativ gelöst. Mit zunehmender Erhöhung des Diskretisierungsgra des nähert sich die approximative Lösung der exakten Lösung an. Für die Analyse des komplexen Verhaltens von flexiblen Materialien unter mechanischer Beanspruchung bietet sich demnach eine strukturierte Vorgehensweise wie die der Finite-Elemente-Methode an. Unter Berücksichti gung geometrischer und physikalischer Vorgaben ist die allgemeine Vorgehensweise bei der Lösung elastischer Kontinuumprobleme wie folgt:

- Zerlegung des zu betrachtenden Kontinuums, durch gedachte Linien oder Flächen, in eine endliche Anzahl von geometrisch beschreibbaren Strukturelementen;
- Idealisierung der Elementverbindungen durch Reduktion der unendlichen Anzahl von Partikelbindungen auf eine endliche Anzahl von Knotenpunkten;
- Bestimmung des Verschiebungszustandes in allen Ele menten über die Knotenpunktverschiebungen, mit Hilfe geeigneter Interpolationsverfahren;
- Ermittlung des Verzerrungszustandes in allen Elemen ten aus den vorliegenden Verschiebungen;
- Berechnung des Spannungszustandes innerhalb der Ele mente sowie an deren Übergängen, anhand der Verzer rungen und der physikalischen Materialeigenschaften;
- Aufstellen eines Systems von Knotenkräften, das im Gleichgewicht mit den Oberflächen- und Volumenkräften steht;
- Einsetzen aller Randbedingungen, die zur Einschrän kung von Freiheitsgraden einzelner Knoten führen; und
- Lösung des resultierenden Gleichungssystems.

Bezüglich einer näheren Erläuterung der an sich bekannten Finite-Elemente-Methode wird auf die einschlägige Fachli teratur verwiesen.

Mit Hilfe der über die Finite-Elemente-Methode erhaltenen Informationen wird das 3D-Modell modifiziert, das heißt das Modell wird in den kritischen Bereichen verstärkt und in den Bereichen geringer Belastung können der Quer schnitt und/oder die Wandstärken reduziert werden. Diese Reduzierung des Querschnitts und/oder der Wandstärken ermöglicht eine Materialeinsparung und ergibt weiterhin ein geringeres Gewicht, was in vielen Fällen, beispiels weise zur Kostensenkung, erwünscht ist.

Nach der Modifikation des 3D-Modells anhand der durch die Finite-Elemente-Methode gewonnenen Informationen erfolgt eine weitere Überprüfung, die wiederum mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode durchgeführt wird. Sind die da durch gewonnenen Ergebnisse zufriedenstellend, so kann das Bauteil hergestellt werden.

Nachteilig an dieser bekannten Vorgehensweise ist, dass der Aufwand und somit die Kosten hoch sind.

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Kon struktion eines Bauteils die folgenden Schritte umfasst:

a) Konstruieren eines Designraummodells;
b) Anwenden eines auf der Finite-Elemente-Methode ba sierenden Strukturoptimierungsverfahrens auf das De signraummodell, um ein strukturoptimiertes Modell zu erzeugen; und
c) Anwenden eines 3D-Konstruktionsverfahrens auf das strukturoptimierte Modell, um ein 3D-Modell zu er zeugen,

können bessere Bauteile mit einem relativ geringen Auf wand konstruiert werden. Der Designraum besteht dabei aus dem für das zu erstellende Bauteil zur Verfügung stehen den Bauraum. Unter Berücksichtigung von Randbedingungen (zum Beispiel für Befestigungsstellen) und auftretenden Lastfällen (Krafteinleitungen und/oder angreifende Momen te) werden bei Schritt b) die hoch belasteten und die weniger belasteten Bereiche des Bauteils bestimmt. Dieje nigen Bereiche, die nicht zur Steifigkeit des Bauteils beitragen werden ausgeblendet. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das 3D-Konstruktionsverfahren gemäß Schritt c) erst auf das bereits strukturoptimierte Modell ange wendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Schritt a) die folgenden Teilschrit te umfasst:

1. Festlegen eines Bauteilwerkstoffes; und
2. Berücksichtigen von Bauteilwerkstoffparametern.

In diesem Zusammenhang wird besonders bevorzugt, dass der in Schritt a1) festgelegte Bauteilwerkstoff ein Alumini umschaumwerkstoff ist. Derartige Aluminiumschaumwerkstof fe werden hergestellt, indem Aluminiumpulver und pulver förmige Treibmittel gemischt werden und eine Verdichtung vorgenommen wird. Bei einer nachfolgenden Erwärmung der verdichteten Mischung spalten die Treibmittel Gasbläschen ab, die das Metall durchsetzen und eine Porenstruktur erzeugen. Bauteile, die mittels des Fertigungsverfahrens Aufschäumen von Aluminiumwerkstoffen hergestellt werden, sind durch Materialanhäufungen gekennzeichnet. Daher eignen sie sich ideal für die Umsetzung von strukturopti mierten Modellen, wie dies später noch näher erläutert wird. Wie bei anderen Werkstoffen auch, so umfassen die bei Schritt a2) berücksichtigten Bauteilwerkstoffparame ter vorzugsweise zumindest den Elastizitätsmodul- und/oder die Querkontraktionszahl. Sowohl den Elastizi tätsmodul als auch die Querkontraktionszahl erhält man über das Hookesche Gesetz, das besagt, dass Spannung und Dehnung einander proportional sind. Der Elastizitätsmodul ist dabei das Verhältnis der erforderlichen Spannung zur erzielten relativen Längenänderung, das heißt zur Deh nung. Die Querkontraktionszahl, die auch als Poissonzahl bezeichnet wird, ist ein Maß dafür, wie sich der Querschnitt des Materials bei einer Verzerrung verändert. Bei der Strukturoptimierung ist des Weiteren dahingehend zu optimieren, dass die Elemente nur so belastet werden, dass die zulässigen Festigkeitswerte (zum Beispiel die Streckgrenze und/oder die Zugfestigkeit) des festgelegten Bauteilwerkstoffes nicht überschritten werden. Weiterhin sollten nur die Elemente dargestellt werden, die einer bestimmten Mindestbelastung ausgesetzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass Schritt b) die folgenden Teil schritte umfasst:

1. Durchführen einer Topologieoptimierung; und
2. Durchführen einer Shapeoptimierung.

Die Topologieoptimierung dient dabei dazu, die eigentli che Struktur zu finden, während die anschließend durchge führte so genannte Shapeoptimierung dazu dient, die ge fundene Struktur beziehungsweise die gefundene Geometrie zu glätten, wodurch in der Regel das Spannungsniveau gesenkt werden kann. Somit kann eine harmonische Geomet rie erzeugt werden. Wenn das Bauteil beispielsweise eine Werkzeugform ist, wirkt sich eine harmonische Geometrie positiv auf das spätere Befüllen der Werkzeugform aus.

Zur Erzeugung des 3D-Modells wird bei Schritt c) vorzugs weise ein an sich bekanntes CAD-Verfahren eingesetzt. Sofern durchgeführt umfasst die Herstellung eines Bau teils auf der Grundlage des 3D-Modells gemäß Schritt d) vorzugsweise das Aufschäumen eines Aluminiumwerkstoffes in der bereits erläuterten Weise.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass das durch Schritt b) erzeugte strukturoptimierte Modell in Form von zumindest eine Punktwolke angebenden Daten vorliegt, dass das bei Schritt c) erzeugte 3D-Modell auf der Grundlage der die zumindest eine Punktwolke angebenden Daten erzeugt wird, und dass das 3D-Modell ein Flächenmodell oder ein Solid modell ist. Wie bereits erwähnt, sind Bauteile, die mit tels des Fertigungsverfahrens Aufschäumen von Aluminium werkstoffen hergestellt werden, durch Materialanhäufungen gekennzeichnet, die den durch die Punktewolken gekenn zeichneten Anhäufungen von Volumenelementen entsprechen. Deshalb eignet sich dieses Fertigungsverfahren in idealer Weise für die Umsetzung der Ergebnisse der Strukturopti mierung mittels der Finite-Elemente-Methode.

Bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren konstruier ten Bauteil oder bei dem gemäß Schritt d) hergestellten Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Werkzeug han deln, insbesondere um eine Gussform.

Besonders gute Ergebnisse sind beispielsweise zu erwar ten, wenn das bei Schritt d) hergestellte Bauteil ein Wischanlagenbauteil ist, da derartige im Kraftfahrzeug sektor benötigte Wischanlagenbauteile häufig eine relativ komplizierte Form aufweisen, die der Optimierung durch das erfindungsgemäße Verfahren zugänglich sind.

Als Wischanlagenbauteil kommen beispielsweise eine Wi scherkonsole, ein Wischerlagergehäuse, ein Wischerarmbe festigungsteil oder ein Wischermotorgetriebegehäuse in Betracht.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Unterseite einer Druckgusskonsole für eine Wischanlage ge mäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Oberseite der Druckgusskonsole für eine Wischanlage gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Design raummodells für eine Konsole für eine Wischan lage;

Fig. 4 eine strukturoptimierte Konsole für eine Wisch anlage die mit Hilfe des Designraummodells von Fig. 3 erhalten wurde;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Druckgussbau teils;

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines geschäumten Bauteils; und

Fig. 7 ein Beispiel für eine Werkzeugerstellung aus einem strukturoptimierten Bauteil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Unter seite einer Druckgusskonsole für eine Wischanlage gemäß dem Stand der Technik. Die in Fig. 1 dargestellte Druck gusskonsole für eine Wischanlage weist neben mehreren Durchbrüchen 10 eine Vielzahl von Stegen 11 auf, die zur Versteifung der Druckgusskonsole vorgesehen sind. Die Stege 11 sind in unterschiedlichen Bereichen der Druck gusskonsole mit einer unterschiedlichen Dichte vorgese hen, wobei die Dichte in stärker belasteten Bereichen höher ist. Allgemein wird beim Stand der Technik die Verwendung von Versteifungsstegen 11 gegenüber einer insgesamt größeren Wandstärke bevorzugt, um den Material bedarf so gering wie möglich zu halten und die Masse des Bauteils nicht unnötig zu vergrößern.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Ober seite der Druckgusskonsole für eine Wischanlage gemäß Fig. 1. Neben den Durchbrüchen 10 sind in Fig. 2 wei terhin zwei rillenartige Vertiefungen 12 zu erkennen.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Designraummodells für eine Konsole für eine Wischanlage, wie es durch den Verfahrensschritt a) erzeugt wird. Beim Designraum-Ansatz wird von dem für das Bauteil zur Verfü gung Bauraum ausgegangen. Insbesondere wenn ein Alumini umschaumwerkstoff eingesetzt werden soll, wird das De signraummodell als Solidmodell vorgesehen, das heißt die beim Stand der Technik vorgesehenen Versteifungsstege 11 entfallen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig. Dabei wird in der Regel eine harmonische Veränderung der Materialstärke bevorzugt, soweit der Bauraum und gegebe nenfalls weitere Randbedingungen dies zulassen.

Auch das in Fig. 3 dargestellte Designraummodell weist Durchbrüche 10 auf, die den Durchbrüchen 10 beim in den Fig. 1 und 2 dargestellten Stand der Technik entspre chen. Die Durchbrüche 10 stellen dabei Randbedingungen für die Konstruktion des Designraummodells dar, ebenso wie die zu erwartenden Lastfälle, das heißt Krafteinlei tungen und/oder angreifende Momente.

Fig. 4 zeigt eine strukturoptimierte Konsole für eine Wischanlage die mit Hilfe des Designraummodells von Fig. 3 erhalten wurde, indem ein auf der Finite-Elemente- Methode basierendes Strukturoptimierungsverfahren auf das Designraummodell angewendet wurde. Gemäß der Darstellung von Fig. 4 sind diejenigen Bereich des Bauteils ausge blendet, die kaum belastet werden beziehungsweise die nicht zur Steifigkeit des Bauteils beitragen. Neben dem gegenüber Fig. 3 veränderten Umriss des Bauteils wird dies Besonders durch die Durchbrüche 16 deutlich, die Beispielsweise im Bereich der Rille 12 vorgesehen sind. Derartige Durchbrüche 16 können allgemein in Bereichen des Bauteils vorgesehen werden, die kaum oder gar nicht belastet werden. Dadurch kann eine deutliche Materialersparnis erzielt werden, durch die die Herstellungskosten sinken und durch die die Masse des Bauteils verringert werden kann.

Zur Erzeugung des in Fig. 4 dargestellten strukturopti mierten Modells wurde der Verfahrensschritt b) in die Teilschritte Durchführen einer Topologieoptimierung und die Durchführen eine Shapeoptimierung aufgeteilt. Dabei wurde die eigentliche Struktur durch die Topologieopti mierung gefunden, und die Shapeoptimierung wurde zur Glättung der gefundenen Geometrie eingesetzt. Durch eine derartige Glättung kann das Spannungsniveau in vielen Fällen gesenkt werden.

Das in Fig. 4 dargestellte strukturoptimierte Modell liegt in der Regel in Form von Daten vor, die eine oder mehrere Punktewolken angeben. Diese Daten eignen sich besonders für die anschließend vorgesehene Anwendung eines 3D-Konstruktionsverfahrens, beispielsweise einem CAD-Verfahren. Dabei stellt es einen wesentlichen Unter schied zum Stand der Technik dar, dass das 3D- Konstruktionsverfahren erst auf das bereits strukturopti mierte Modell angewendet wird.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Druckguss bauteils. Im Gegensatz hierzu zeigt Fig. 6 eine Quer schnittsansicht eines geschäumten Bauteils. Ein Vergleich der Fig. 5 und 6 zeigt, dass anstelle der beim Stand der Technik vorgesehenen Stege 11 bei dem durch das er findungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteil der Ge samtquerschnitt eine harmonische Geometrie aufweist. Obwohl die Querschnittsfläche des in Fig. 6 dargestellten Bauteils größer als die Querschnittsfläche des in Fig. 5 dargestellten Bauteils ist, wird die Masse durch den Einsatz von aufgeschäumten Werkstoffen, insbesondere Aluminiumschaumwerkstoffen nicht vergrößert. In vielen Fällen ist es sogar möglich die Masse des Bauteils gegen über Bauteilen zu verringern, die durch bekannte Verfah ren hergestellt wurden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel für eine Werkzeugerstellung aus einem strukturoptimierten Bauteil. Dabei ist die obere Werkzeughälfte mit 13 bezeichnet, während die unte re Werkzeughälfte mit 14 bezeichnet ist. Die Konsole für Wischanlagen ist in Fig. 7 mit dem Bezugszeichen 15 versehen. Fig. 7 ist zu entnehmen, dass durch die Shape optimierung eine insgesamt harmonische Geometrie erzeugt wurde, die das spätere Füllen der Werkzeugform erleich tert, wobei das Werkzeug durch die obere Werkzeughälfte 13 und die untere Werkzeughälfte 14 gebildet ist.

Insbesondere wenn das gemäß der Erfindung vorgesehene Strukturoptimierungsverfahren in Verbindung mit geschäum ten Werkstoffen wie Aluminiumschaumwerkstoffen eingesetzt wird kann die Ähnlichkeit der durch das Optimierungsver fahren gewonnenen Geometrie und der für das Herstellungs verfahren erforderlichen Geometrie in vorteilhafter Weise genutzt werden und sowohl hinsichtlich der Bauteile als auch hinsichtlich der Werkzeuge kann eine Kostenreduzie rung erreicht werden, wobei ein weiterer Vorteil in der Reduzierung der Masse beziehungsweise des Gewichts zu sehen ist.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrati ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zur Konstruktion eines Bauteils, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:

a) Konstruieren eines Designraummodells;
b) Anwenden eines auf der Finite-Elemente-Methode ba sierenden Strukturoptimierungsverfahrens auf das De signraummodell, um ein strukturoptimiertes Modell zu erzeugen; und
c) Anwenden eines 3D-Konstruktionsverfahrens auf das strukturoptimierte Modell, um ein 3D-Modell zu er zeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den folgenden weiteren Schritt umfasst:

a) Herstellen eines Bauteils auf der Grundlage des 3D- Modells.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass Schritt a) die folgenden Teilschritte umfasst:

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt a1) festge legte Bauteilwerkstoff ein Aluminiumschaumwerkstoff ist, und dass die in Schritt a2) berücksichtigten Bauteilwerk stoffparameter zumindest den Elastizitätsmodul und/oder die Querkontraktionszahl einschließen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) die folgenden Teilschritte umfasst:

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) die Anwendung eines CAD-Verfahrens umfasst.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) das Aufschäumen eines Aluminiumwerkstoffes umfasst.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch Schritt b) erzeug te strukturoptimierte Modell in Form von zumindest eine Punktwolke angebenden Daten vorliegt, dass das bei Schritt c) erzeugte 3D-Modell auf der Grundlage der die zumindest eine Punktwolke angebenden Daten erzeugt wird, und dass das 3D-Modell ein Flächenmodell oder ein Solid modell ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Schritt d) herge stellte Bauteil ein Werkzeug ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Schritt d) hergestellte Bauteil ein Wischanlagenbauteil ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bei Schritt d) herge stellte Bauteil eine Wischerkonsole, ein Wischerlagerge häuse, ein Wischerarmbefestigungsteil oder ein Wischermo torgetriebegehäuse ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

13. Wischanlagenbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass es durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.

14. Wischanlagenbauteil nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, dass es eine Wischerkonsole, ein Wischerlager gehäuse, ein Wischerarmbefestigungsteil, ein Wischerarm gelenkteil oder ein Wischermotorgetriebegehäuse ist.