DE102011056677A1 - Optimization method for determining optimized component shape of fiber composite component, involves calculating load behavior of component shape depending on predetermined boundary conditions in pre-defined installation space - Google Patents

Optimization method for determining optimized component shape of fiber composite component, involves calculating load behavior of component shape depending on predetermined boundary conditions in pre-defined installation space

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DE102011056677A1
DE102011056677A1 DE201110056677 DE102011056677A DE102011056677A1 DE 102011056677 A1 DE102011056677 A1 DE 102011056677A1 DE 201110056677 DE201110056677 DE 201110056677 DE 102011056677 A DE102011056677 A DE 102011056677A DE 102011056677 A1 DE102011056677 A1 DE 102011056677A1
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Abstract

The optimization method involves calculating a load behavior of a component shape (23) depending on the predetermined boundary conditions (21,22) in a pre-defined installation space (20). The component shape is changed in the pre-defined installation space depending on the predetermined optimization strategies, the calculated load behavior of the component shape and the predetermined border conditions. A fiber course (24) of the changed component shape is considered depending on the predetermined border conditions. An independent claim is included for a computer program with a program code unit for performing the optimization method on a computer.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Optimierungsverfahren zur Ermittlung einer optimierten Bauteilform eines Faserverbundbauteils innerhalb eines vordefinierten Bauraumes bezüglich vorgegebener Randbedingung und vorgegebener Optimierungskriterien. The invention relates to an optimization method for determining an optimized component form a fiber composite component within a predefined installation space with respect to a given constraint, and predetermined optimization criteria.
  • Aufgrund der besonderen Eigenschaft, bei einem geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit bzw. Festigkeit aufzuweisen, finden Faserverbundbauteile mehr und mehr Verwendung in den verschiedensten Bereichen. Due to the special characteristic of having a high rigidity at a low weight, fiber composite components are being increasingly used in various fields. Insbesondere dort, wo es auf ein geringes Gewicht der verwendeten Bauteile ankommt, wie beispielsweise im Automobilbereich oder beim Flugzeugbau, finden komplexe Faserverbundbauteile auch bei tragenden Strukturen Anwendung. Especially where it comes to a low weight of the components used, such as in the automotive industry or in aircraft, complex composite parts found in load-bearing structures application. Allerdings sind gerade bei komplexen Bauteilformen die Herstellungskosten gegenüber anderen, herkömmlichen Materialien erhöht, da hier vieles in Handarbeit durchgeführt werden muss. However, especially for complex component shapes the production costs compared with other conventional materials are increased, since much remains to be done by hand.
  • Die Herstellung eines Faserverbundbauteils erfolgt dabei durch Drapieren eines Faserhalbzeuges (trocken oder vorgetränkt) in einem formgebenden Werkzeug, das die spätere Form des gewünschten Bauteils aufweist. The manufacture of a fiber composite component takes place by draping of a fibrous semifinished product (dry or pre-impregnated) in a shaping tool having the later shape of the desired component. Anschließend wird das Faserhalbzeug in dem Formwerkzeug mit einem Matrixharz infiltriert, sofern dies noch nicht ausreichend geschehen ist und anschließend ausgehärtet, so dass das Matrixharz mit dem Faserhalbzeug reagiert und ein festes Bauteil bildet. Subsequently, the semifinished fiber article is infiltrated into the mold with a matrix resin, if this has not yet been sufficiently done, and subsequently cured so that the matrix resin reacts with the semifinished fiber and forms a solid component.
  • Ein weiterer Unterschied zu herkömmlichen, insbesondere isotropen Materialien (wie beispielsweise Eisen oder Stahl) besteht darin, dass Faserverbundwerkstoffe ein richtungsabhängiges Materialverhalten aufweisen, das insbesondere durch den Faserverlauf des dem Faserverbundbauteil zugrunde gelegten Faserhalbzeuges geprägt wird. Another difference with conventional, in particular isotropic materials (such as iron or steel) is that the fiber composites have a direction-dependent material behavior that is particularly affected by the fiber orientation of the fiber composite component underlying fiber semi-finished product. So weisen Faserverbundbauteile entlang ihrer Faserrichtung in der Regel ihre größte Stabilität und Festigkeit auf, während orthogonal zu der Faserebene das Faserverbundbauteil die Stabilität relativ schwach ausgeprägt ist. To assign composite parts along the fiber direction is usually their biggest strength and stability, while orthogonal to the fiber level, the fiber composite component stability is relatively weak. Nicht zuletzt deshalb werden Faserverbundbauteile in der Regel auch in flächiger Form gebildet, um sich das richtungsabhängige Materialverhalten zu Nutze zu machen. Not least because of fiber composite components are usually formed in sheet form, to make the directional material behavior to Use.
  • Auch wenn das Gewichts-/Steifigkeitsverhältnis von Faserverbundbauteilen gegenüber herkömmlichen Materialien besonders günstig ist, gibt es dennoch Bestrebungen, die spätere Bauteilform eines Faserverbundbauteiles hinsichtlich bestimmter Optimierungskriterien zu optimieren. Even if the weight / stiffness ratio of fiber composite components over conventional materials is particularly favorable, there are still efforts to optimize the later part shape of a fiber composite component with respect to certain optimization criteria. Solche Optimierungskriterien können beispielsweise die Reduzierung des Gewichtes sein, die Reduzierung der verwendeten Materialien oder ähnliches sein. Such optimization criteria can be, for example, the reduction in weight, be the reduction of the materials used or the like. Voraussetzung hierbei ist jedoch immer, dass die optimierte Bauteilform so gewählt ist, dass ein späteres, hierauf basierendes Faserverbundbauteil den gestellten Randbedingungen, wie beispielsweise Einspannung, Kräften, Lagerpunkten, Lasten und Lastrichtung, genügt. However, this requirement is always that the optimized component shape is chosen so that later, then based fiber composite component the boundary conditions provided, such as clamping, forces bearing points, loads and load direction, suffice. Denn in erster Linie muss das spätere Faserverbundbauteil die gestellten Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes und Einsatzzweckes erfüllen. Because primarily the subsequent fiber composite component must meet the requirements of each application area and intended use provided. Die Optimierung der Bauteilform wird dabei auch Topologieoptimierung genannt. The optimization of the component mold is also called topology optimization.
  • Es existieren Topologieoptimierer, die für isotrope Materialien, dh für Materialien, die in alle Richtungen die gleiche Materialeigenschaft und Festigkeit aufweisen, in beliebigen dreidimensionalen Designräumen die optimale Bauteilform auffinden. There topology optimizer which find for isotropic materials, ie materials having the same material properties and strength in all directions in any three-dimensional design spaces, the optimum component form. Eine Optimierungsstrategie hierbei ist es, mit Hilfe von mathematischen oder heuristischen Methoden eine Fachwerkkonstruktion aus Zugund Druckstäben zu ermitteln, die hinsichtlich der gestellten Optimierungskriterien und der vorgegebenen Randbedingungen die optimale Bauform innerhalb des vorgegebenen dreidimensionalen Designraumes finden. An optimization strategy here is to determine a framework structure of tension and compression rods by means of mathematical or heuristic methods that apply in respect of questions optimization criteria and the given boundary conditions, the optimum design within the prescribed three-dimensional design space.
  • Eine derartige Topologieoptimierung ist jedoch in der Regel für Faserverbundbauteile ungeeignet, da die richtungsabhängigen Materialeigenschaften unberücksichtigt bleiben. However, such a topology optimization is generally unsuitable for composite structures, since the direction-dependent material properties are ignored. Würde man eine solche optimierte Bauteilform für die Herstellung eines Faserverbundbauteils zugrunde legen und das isotrope Material durch ein Faserverbundwerkstoff mit richtungsabhängigen Materialeigenschaften ersetzen, so würde man sich wieder von dem eigentlichen Optimum entfernen, da die herkömmlichen, auf isotrope Materialien basierenden Topologieoptimierer dieses richtungsabhängige Materialverhalten nicht berücksichtigen. If you were to create such optimized component form for the production of a fiber composite component based and replace the isotropic material with a fiber composite material with directionally dependent material properties, one would be removed again from the actual optimum, because the conventional, based on isotropic materials topology optimizer does not consider this direction-dependent material behavior ,
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Topologieoptimierungsverfahren anzugeben, mit dem innerhalb eines beliebigen dreidimensionalen Designraumes eine optimale Bauteilform für ein Faserverbundbauteil bezüglich vorgegebener Randbedingungen und Optimierungskriterien ermittelt werden kann. It is therefore an object of the present invention to provide an improved topology optimization method with which an optimum shape of the component can be determined for a fiber composite component with respect to predetermined boundary conditions and optimization criteria within an arbitrary three-dimensional design space.
  • Die Aufgabe wird mit dem Optimierungsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst mit den Iterationsschritten: The problem is with the optimization process of the type mentioned achieved according to the iteration:
    • a) Berechnen eines Lastverhaltens einer Bauteilform in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen innerhalb des vordefinierten Bauraumes, a) calculating a load behavior of a component shape, depending on the given boundary conditions within the predefined installation space,
    • b) Verändern der Bauteilform innerhalb des vordefinierten Bauraumes in Abhängigkeit von vorgegebenen Optimierungsstrategien, dem berechneten Lastverhalten der Bauteilform und den vorgegebenen Randbedingungen unter Berücksichtigung eines Faserverlaufes der Bauteilform derart, dass die Optimierungskriterien durch die veränderte Bauteilform angenähert werden, und b) altering the component shape within the predefined design space in dependence on predetermined optimization strategies, the calculated load response of the component form and the given boundary conditions, taking into account a fiber progression of the component shape such that the optimization criteria can be approximated by the change in shape of the component, and
    • c) Ermitteln eines angepassten Faserverlaufes der in Schritt b) veränderten Bauteilform in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingung und Wiederholen der Schritte a) bis c) auf Basis der veränderten Bauteilform und des hieran angepassten Faserverlaufes entsprechend. c) determining a matched fiber path of the altered in step b) component shape in response to the predetermined constraint and repeating steps a) to c) in accordance with on the basis of changes in component form and adapted thereto fiber path.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zunächst ein Lastverhalten einer Bauteilform innerhalb des vordefinierten Bauraumes in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen, wie bspw. vorgegebene Kräfte und Kraftpunkte, vorteilhafterweise auch unter Berücksichtigung eines möglichen Faserverlaufes, berechnet wird. According to the invention that first a load behavior of a component shape within the predefined installation space depending on the given boundary conditions, such as, predetermined forces and power points, is advantageously also calculated in consideration of a possible fiber path is proposed. Das berechnete Lastverhalten findet dann Eingang in die Topologieoptimierung in Schritt b), wo die Bauteilform innerhalb des vordefinierten Bauraumes in Abhängigkeit von Optimierungsstrategien verändert bzw. angepasst wird, und zwar in Abhängigkeit von dem zuvor berechneten Lastverhalten und in Bezug auf die vorgegebenen Randbedingungen unter Berücksichtigung eines Faserverlaufes der Bauteilform. The calculated load response then is input into the topology optimization in step b), where the part shape will be changed or adjusted within the predefined installation space as a function of optimization strategies, depending on the previously calculated load behavior and with respect to the given boundary conditions, taking account of a fiber course of the component shape.
  • Durch das Verändern der Bauteilform werden die gestellten Optimierungskriterien, beispielsweise Reduzierung des Gewichtes oder erhöhte Stabilität, entsprechend angenähert. By changing the part shape optimization criteria set, such as weight reduction or increased stability are approximated accordingly. Durch die Berücksichtung des Faserverlaufes, insbesondere des richtungsabhängigen Materialverhaltens definiert durch den Faserverlauf, kann die Anpassung der Bauteilform zur Optimierung gezielt auf die Probleme bezüglich Faserverbundbauteile eingegangen werden. By consideration of the fiber path, in particular the direction-dependent material behavior defined by the fiber orientation, adjusting the component shape optimization can be precisely deals with the problems of fiber composite components.
  • Anschließend wird ein an diese veränderte Bauteilform angepasster Faserverlauf in Schritt c) ermittelt, und zwar ebenfalls in Abhängigkeit der vorgegebenen Randbedingungen, so dass sich bezüglich der veränderten Bauteilform ein optimaler Faserverlauf in dem Bauteil ergibt, wobei die Schritte im Anschluß daran wiederholt werden, um sich der optimalen Bauteilform und dem optimalen Faserverlauf anzunähern. Subsequently, an adapted to this modified component shape fiber alignment in step c is determined), again depending on the given boundary conditions, so that an optimal fiber orientation results in the component with respect to the changes in component form, wherein the steps following will be repeated thereon to be to approach the optimum component shape and the optimal grain.
  • Vorteilhafterweise werden die Schritte a) bis c) solange wiederholt, bis sich die Bauteilform und der für die Herstellung des Faserverbundbauteils benötigte Faserverlauf so angenähert haben, dass ein stabiler Zustand aufgefunden wurde und/oder die entsprechenden Optimierungskriterien im Wesentlichen erreicht wurden. Advantageously, the steps a) to c) are repeated until the part shape and the fiber flow required for the production of the fiber composite component have converged so that a stable state was found and / or the corresponding optimization criteria have been substantially achieved. Als stabiler Zustand wird der Zustand angesehen, bei dem eine Veränderung der Bauteilform in Schritt b) zu keiner Verbesserung der gestellten Optimierungskriterien mehr erreicht. As a stable state of the state is considered in which more achieved a change in component form in step b) not improve the optimization criteria provided. Die Schritte werden somit mit den entsprechenden Vorgaben solange wiederholt, bis eine optimale Bauteilform und Faserverlauf hierzu aufgefunden wurde. The steps are thus repeated with the relevant provisions until an optimal component shape and grain was this discovered.
  • Die Iterationsschritte werden durch eine Rechenmaschine ausgeführt, wobei Schritt a) durch ein Lastberechnungsmodul, Schritt b) durch ein Formfindungsmodul und Schritt c) durch ein Faserverlaufsmodul der Rechenmaschine ausgeführt werden können. The iteration steps are performed by a computing machine, wherein step a) through a load calculating module, step b)) may be performed by a fiber orientation module of the computing machine by a form-finding module and step c.
  • Die vorgegebenen Optimierungsstrategien können beispielsweise auf einem mathematischen Ansatz beruhen, bei dem die optimale Bauteilform durch Berechnungen angenähert wird, insbesondere mittels der Finiten-Elementen-Methode. The predetermined optimization strategies can, for example, based on a mathematical approach in which the optimum shape of the component is approximated by calculations, in particular by means of the finite elements method. Vorteilhafterweise wird jedoch ein heuristischer Ansatz bevorzugt, bei dem Teile innerhalb des Bauteilraumes der Bauteilform hinzugefügt oder entsprechende Teile der Bauteilform entfernt werden. Advantageously, however, a heuristic approach is preferred, added, or in which parts within the space of the component part shape corresponding parts of the component form to be removed. So kann die Veränderung der Bauteilform in Abhängigkeit von den Optimierungsstrategien derart erfolgen, dass in Bezug auf die vorgegebenen Randbedingungen unter Berücksichtigung des Faserverlaufes der Kraftfluss bzw. das Lastverhalten ermittelt und an Stellen mit einer hohen Zug- und/oder Druckbelastung Teile der Bauteilform hinzugefügt werden, während an Stellen der Bauteilform mit geringen Zug- und/oder Druckbelastungen Teile von der Bauteilform entfernt werden. Thus, the change in shape of the component as a function of the optimization strategies may be such that determines with respect to the given boundary conditions, taking account of the fiber path of the force flow or the load behavior and are added at locations with a high tensile and / or compressive load parts of the component form, while parts are removed from the component form at locations of the component shape with low tensile and / or compressive stresses. Durch diesen heuristischen Ansatz zur Topologieoptimierung lässt sich unter Berücksichtigung des Faserverlaufes eine optimale Bauteilform auffinden. Through this heuristic approach for topology optimization can be taking into account the fiber flow an optimal component shape locate.
  • Das berechnete Lastverhalten der Bauteilform beschreibt demnach quantitativ die Beanspruchung durch die vorgegebenen Lasten (Randbedingungen) an jeder Position im Bauteil, so dass die Zug- und/oder Druckbelastung innerhalb des Bauteils an jeder beliebigen Position ermittelbar sind. The calculated load behavior of the component shape quantitatively describes Accordingly, the stress by the predetermined loads (boundary conditions) at each position in the component, so that the tensile and / or compressive stress within the component at any position can be determined.
  • Das Ermitteln eines angepassten Faserverlaufes an die in Schritt b) veränderte Bauteilform kann weiterhin in Abhängigkeit einer Drapiereigenschaft eines für das Faserverbundbauteil zu verwendenden Faserhalbzeuges, auf deren Basis letztendlich der Faserverlauf beruht, ermittelt werden. Determining a matched fiber path to the changed in step b) component shape may further be a function of a draping property of a to be used for the fiber composite component fiber semi-finished product, on the basis ultimately, the fiber flow is based, is determined. Die Drapiereigenschaft eines Faserhalbzeuges beschreibt im Wesentlichen die Eigenschaft des Faserhalbzeuges hinsichtlich von Verschiebungs-, Verzerr- und/oder Verschereigenschaften. The draping of a fibrous semi-finished product essentially describes the property of the fiber semi-finished product in terms of displacement, Verzerr- and / or Verschereigenschaften. Dadurch wird sichergestellt, dass der Faserverlauf innerhalb der Bauteilform auch tatsächlich so gewählt wird, dass das Bauteil hinterher auch mit einem derartigen Faserverlauf herstellbar ist. Characterized that the fiber flow is actually selected within the component shape so that the component is afterwards also be produced with such a fiber orientation is ensured.
  • Vorteilhafterweise wird für die Schritte weiterhin die Materialeigenschaft eines Faserhalbzeuge zugrunde gelegt, insbesondere richtungsabhängige Materialeigenschaften wie Zug- und Druckbelastung des Materials sowie die Steifigkeit des Materials. Advantageously, the material property of a semi-finished fiber is used for the further steps based on, in particular directional material properties such as tensile and compressive stress of the material as well as the stiffness of the material. Auf Basis der richtungsabhängigen Materialeigenschaft kann somit die optimale Bauteilform hinsichtlich der Randbedingungen unter Berücksichtung des Faserverlaufes aufgefunden werden. Based on the direction-dependent material properties, the optimum shape of the component can thus be found in terms of the boundary conditions taking into account the fiber flow.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine flächige Bauteilform ermittelt wird, da dies dem richtungsabhängigen Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen besonders entgegenkommt. It is particularly advantageous if a planar shape of the component is determined, since this is particularly needed in the direction-dependent material behavior of fiber-reinforced composites is. So ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn das Verändern der Bauteilform in Schritt b) immer vor dem Hintergrund durchgeführt wird, dass die veränderte Bauteilform im Wesentlichen eine flächige Form hat. Thus it is particularly advantageous when the changing the shape of the component in step b) is carried out always in the context that the altered shape of the component has a substantially flat shape.
  • Um die Startbedingungen festzulegen ist es vorteilhaft, wenn eine Startkonfiguration mit einer Start-Bauteilform und ein Anfangs-Faserverlauf dieser Start-Bauteilform vorgegeben wird. To set the starting conditions, it is advantageous if a startup configuration with a start-part shape and an initial fiber orientation of these start-part shape is specified. Die Start-Bauteilform und der diesbezügliche Anfangs-Faserverlauf werden dann dem ersten Iterationsschritt zugrunde gelegt. The start-component form and the related initial fiber orientation are then based on the first iteration. In den weiteren Iterationsschritten wird dann rekursiv die veränderte Bauteilform bzw. der angepasste Faserverlauf verwendet. the change in shape of the component or the adjusted fiber orientation is then recursively used in the further iteration steps.
  • Denkbar ist aber auch, dass die Start-Bauteilform sowie der Anfangs-Faserverlauf in einem Initialisierungsschritt vor der ersten Iteration in Abhängigkeit von den vorgegebenen Optimierungsstrategien und den vorgegebenen Randbedingungen ermittelt wird. It is also conceivable that the starting component form and the initial fiber orientation in an initialization step prior to the first iteration in response to the predetermined optimization strategies and the given boundary conditions is determined. Diese Ermittlung kann durch ein Initialisierungsmodul der Recheneinheit durchgeführt werden. This determination can be performed by an initialization of the computing unit.
  • Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. The invention is illustrated by way of example with reference to the accompanying drawings. Es zeigen: Show it:
  • 1 1 – Ablaufdiagramm des vorliegenden Iterationsverfahrens; - flow chart of the present iteration;
  • 2a 2a bis to 2c 2c – beispielhafte Ergebnisdarstellung für ein ausgewähltes Optimierungsbeispiel. - exemplary presentation of results for a selected optimization example.
  • 1 1 zeigt schematisch den Ablauf des vorliegenden Optimierungsverfahrens. schematically shows the sequence of the present optimization method. Ausgehend von einer Startkonfiguration Starting from an initial configuration 1 1 mit einer Start-Bauteilform und einem Anfangs-Faserverlauf wird in dem Modul with a starting component form and an initial fiber orientation is in the module 2 2 das Lastverhalten der Startkonfiguration bezüglich der vorgegebenen Randbedingungen berechnet. the load behavior of the starting configuration calculated with respect to the given boundary conditions. In einem Modul In a module 3 3 wird dann die Bauteilform innerhalb eines vordefinierten Bauraumes unter Anwendung vorgegebener Optimierungsstrategien in Abhängigkeit von dem Lastverhalten angepasst, um sich dem Optimum der Bauteilform, das durch die Optimierungskriterien definiert wird, anzunähern. the shape of the component is then adjusted within a predefined design space using a predetermined optimization strategies as a function of the load behavior in order to approach the optimum of the shape of the component, which is defined by the optimization criteria. Dabei können durch die Startkonfiguration Here, by the startup configuration 1 1 auch die notwendigen Randbedingungen, Optimierungskriterien und Optimierungsstrategien vorgegeben werden. also the necessary constraints, optimization criteria and optimization strategies are specified.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Veränderung der Bauteilform in Schritt According to the inventive method, the change in shape of the component is carried out in step 3 3 unter Berücksichtigung eines Faserverlaufes in der Bauteilform, um so das richtungsabhängige Materialverhalten bei der Ermittlung der optimalen Bauform mit zu berücksichtigen. in consideration of a fiber path in the shape of the component so as to take account of the direction-dependent material behavior in the determination of the optimum design with. Ein derartiger Faserverlauf kann dabei ebenfalls durch die Startkonfiguration Such fiber orientation can likewise by the startup configuration 1 1 vorgegeben werden. be specified.
  • Die in Schritt In step 3 3 veränderte Bauteilform wird dann dem Modul modified component mold is then the module 4 4 überreicht, so dass auf dessen Grundlage ein hieran angepasster Faserverlauf ermittelt werden kann. handed over, so that on the basis of a thereto adjusted fiber orientation can be determined. Zur Ermittlung des angepassten Faserverlaufes werden dabei die für die Entwicklung des Bauteils notwendigen Randbedingungen berücksichtigt, wie beispielsweise Einspannung, Lasten und Lastrichtung. it necessary for the development of the component constraints are taken into account for the calculation of the adjusted fiber path, such as clamping, loads and load direction. Daraus ergibt sich ein entsprechend energetisch günstiger Faserverlauf für die in Schritt This results in a correspondingly energetically more favorable fiber orientation for in step 2 2 aufgefundene Bauteilform, wobei hierbei zusätzlich die Drapiereigenschaften eines möglichen Faserhalbzeuges mit berücksichtigt werden können. discovered component form, in which case the drape of a possible fiber semi-finished product can be taken into account additionally. Die Ermittlung des angepassten Faserverlaufes kann beispielsweise mittels einer simulierten Drapierung der Faserhalbzeuge in Abhängigkeit von der veränderten Bauteilform durchgeführt werden. The calculation of the adjusted fiber path can be performed for example by means of a simulated draping fibrous semi-finished depending on the changes in component form.
  • In einem Überprüfungsschritt In a verification step 5 5 wird dann die aufgefundene Bauteilform hinsichtlich der Optimierungskriterien überprüft, um festzustellen, ob die aufgefundene Bauteilform den Optimierungskriterien entspricht und das Verfahren beendet werden kann. the found component mold is then checked for the optimization criteria to determine whether the retrieved part shape meets the optimization criteria and the procedure can be terminated. In dem Überprüfungsschritt In the verification step 5 5 kann dabei auch überprüft werden, ob ein stabiler Zustand der Bauteilform aufgefunden wurde. it can also be checked whether a stable state of the component shape was found. Als stabiler Zustand wird hierbei verstanden, dass weitere Iterationsschritte durch das Verfahren zu keiner Veränderung des Bauteils mehr führen bzw. die Optimierungskriterien nicht weiter angenähert werden können. As stable state is meant here that more iterations follow the procedure in no change of the component or more optimization criteria can not be approximated. Ist ein stabiler Zustand aufgefunden bzw. sind die Optimierungskriterien hinreichend angenähert, so wird die aufgefundene Bauteilform zusammen mit dem hieran angepassten Faserverlauf als Endergebnis Is a stable state found or the optimization criteria are sufficiently approximated, so the retrieved component form, together with the adapted thereto fiber flow as a final result 6 6 ausgegeben. output. Andernfalls wird das Verfahren mit dem Schritt Otherwise, the method proceeds to step 2 2 auf Basis der zuvor geänderten Bauteilform und des daran angepassten Faserverlaufes wiederholt, bis sich Form und Faserverlauf hinreichend angenähert und zu einem optimalen Ergebnis geführt haben. repeated based on the previously modified component form and adapted thereto fiber course, have to be sufficiently approximated shape and fiber orientation and guided to an optimum result.
  • 2a 2a bis to 2c 2c zeigen beispielhaft die Ergebnisse während eines vollständigen Durchlaufes des Optimierungsverfahrens. show examples of the results during a complete passage of the optimization process. In In 2a 2a ist ein vordefinierter Bauraum is a predefined space 20 20 gezeigt, innerhalb dessen ein Faserverbundbauteil mit einer optimalen Form aufgefunden werden soll. shown within which a fiber composite component is to be found with an optimal shape. Die definierten Randbedingungen sind dabei zum einen die auf der linken Seite vorgegebene Einspannung The boundary conditions defined are on the one hand the set on the left side clamping 21 21 , an der das spätere Bauteil dann tatsächlich befestigt wird, und die auf der rechten Seite definierte Last At which the subsequent component is then actually attached, and the load defined on the right side 22 22 , die als Kraft in die mit dem Pfeil gezeigten Richtungen wirken kann. That can act as a force in the direction shown by the arrow directions. Die maximale Grenze der Kraft wird ebenfalls durch die Randbedingungen vorgegeben. The maximum limit of the force is also dictated by the boundary conditions.
  • In dem Bauraum In the space 20 20 erstreckt sich von der Einspannung extending from the clamping 21 21 bis zur Lastaufnahme until the load-carrying 22 22 eine Anfangs-Bauteilform an initial component shape 23 23 mit einem vorgegebenen Faserverlauf with a predetermined fiber direction 24 24 . , Durch den Faserverlauf Through the grain 24 24 wird dabei das richtungsabhängige Materialverhalten der Bauteilform it is the direction-dependent material behavior of the component shape 23 23 definiert. Are defined.
  • Während eines Iterationsschritts wird die Anfangs-Bauteilform During an iteration step the initial component form 23 23 verändert, und zwar unter Anwendung der vorgegebenen Optimierungsstrategien. changed, namely, using the predetermined optimization strategies. Die Optimierungsstrategie sieht im Ausführungsbeispiel der The optimization strategy is the embodiment of 2a 2a vor, dass in den Bereichen, in denen die Bauteilform große Zug- und/oder Druckbeanspruchungen hat, entsprechende Teile der Bauteilform before that in the areas where the component shape has great tensile and / or compressive stresses, corresponding parts of the component shape 23 23 hinzugefügt werden. to be added. Die hinzugefügten Teile sind mit The added components are identified by 25 25 gekennzeichnet. characterized.
  • Die Zug- und/oder Druckbeanspruchung der Bauteilform erfolgt dabei in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen (Einspannung, Lasten) unter Berücksichtigung des Faserverlaufes The tensile and / or compressive stress of the component shape takes place depending on the given boundary conditions (constraint, loads) taking into account the fiber path 24 24 , der das richtungsabhängige Materialverhalten vorgibt. Which predetermines the direction-dependent material behavior. So werden Zug- und/oder Druckbeanspruchungen oberhalb eines oberen Grenzwertes für die Hinzufügung von Teilen Thus, tensile and / or compressive stresses are above an upper limit for the addition of parts 25 25 verwendet, während Zug- und/oder Druckbeanspruchung unterhalb einer unteren Grenze dazu verwendet werden, an diesen Positionen Teile der Bauteilform used, while tensile compression stress can be used below a lower limit thereto, and / or, at these positions of the component parts of the form 23 23 zu entfernen. to remove.
  • Im anschließenden Schritt wird dann der Faserverlauf In the subsequent step is then the grain 24 24 an die veränderte Bauteilform to the changed component shape 23 23 , die sich nunmehr aus der ursprünglichen Bauteilform Which now consists of the original component shape 23 23 sowie den hinzugefügten Teilen as well as the added parts 25 25 ergibt, angepasst. results, adjusted. Durch die Anpassung des Faserverlaufes wird auch das richtungsabhängige Materialverhalten verändern, so dass hierdurch sich die Zug- und Druckbeanspruchungen innerhalb des Bauteils verändern. By adjusting the fiber path and the direction-dependent material behavior will change, so that in this way, the tensile and compressive stresses change within the component.
  • 2b 2 B zeigt eine Bauteilform shows a part shape 33 33 , die sich aus der Anfangs-Bauteilform der Resulting from the initial component form of the 2a 2a nach einigen Iterationsschritten des vorliegenden Verfahrens ergibt. after a few iterations of the present process is obtained.
  • Zu erkennen ist, dass sich sowohl die Bauteilform als auch der Faserverlauf It can be seen that both the component shape and the grain 34 34 einer optimalen Bauform, wie sie in an optimal design, as in 2c 2c gezeigt, annähert. shown approaching. Darüber hinaus ist weiterhin festzustellen, dass die Bauteilform grundsätzlich eine flächige Form aufweist, was der Herstellung von Faserverbundbauteilen entgegenkommt. In addition, further to be noted that the shape of the component generally has a flat shape, which is favorable for producing fiber composite components.
  • Die Optimierungsstrategien für die Ermittlung der optimalen Bauform sind somit so gewählt, dass neben einer Annäherung an die Optimierungskriterien auch immer eine flächige Form bevorzugt wird. The optimization of strategies for the determination of the optimum design are thus that in addition to an approach to the optimization criteria also always a sheet-like shape is preferably chosen. Die Veränderung der Bauteilform innerhalb des vordefinierten Bauraumes in Abhängigkeit von den vorgegebenen Optimierungsstrategien und den vorgegebenen Randbedingungen unter Berücksichtigung eines Faserverlaufes erfolgt somit derart, dass die Optimierungskriterien durch die veränderte Bauteilform in flächiger Ausprägung angenähert werden. thus takes place in such a way, the change of the shape of the component within the predefined design space in dependence on the predetermined optimization strategies and the given boundary conditions, taking account of a fiber path that the optimization criteria can be approximated by the change in shape of the component in flat expression.
  • 2c 2c zeigt schließlich die aufgefundene optimale Bauteilform finally shows the found optimal component form 43 43 . , Durch das Hinzufügen von Teilen und das Entfernen von Teilen wurde eine flächige Form aufgefunden, die einen durchgehenden Faserverlauf With the addition of parts and the removal of parts of a sheet-like shape has been found that a continuous fiber direction 44 44 hat und somit optimal die Lasten trägt, wobei die flächige Form insbesondere bei der Herstellung des Faserverbundbauteils entgegenkommt. and thus has optimal carrying the loads, wherein the sheet-like shape comes to meet particular in the production of the fiber composite component. Die optimale Bauteilform sowie der berücksichtigte Faserverlauf haben sich soweit angenähert, dass sie eine optimale Bauteilform im Hinblick auf die Optimierungskriterien, wie beispielsweise Gewichtsreduzierung oder Materialreduzierung ergibt. The optimal component shape and the considered grain have been approached as to yield an optimal component shape in terms of the optimization criteria, such as weight reduction or material reduction. Die Bauteilform in The component form 2c 2c weist darüber hinaus den energetisch günstigsten Faserverlauf furthermore has the energetically most favorable grain 44 44 für dieses Bauteil auf. for this on the component.
  • Unter Berücksichtigung einer Drapiereigenschaft eines zur verwendenden Faserhalbzeuges kann darüber hinaus der Faserverlauf auch so ermittelt werden, dass sich hinterher ein physisch tatsächlich herstellbares Bauteil ergibt, ohne dass weitere Anpassungen notwendig sind. In consideration of a draping property of the used semi-finished fiber, the fiber flow can be so determined that after a physically actually manufacturable component yields without further adjustments are necessary beyond. Da Faserhalbzeuge nur begrenzt verschert werden können, ohne dass es zu Fehlstellen im späteren Bauteil kommt, kann durch das Berücksichtigen der Drapiereigenschaft nicht nur eine Bauteilform gefunden werden, die hinsichtlich der Optimierungskriterien optimiert ist, sondern auch hinsichtlich der Herstellung. Since semi-finished fiber can be sheared limited without causing defects in the finished part, not just a component form can be found by considering the draping property that is optimized with regard to the optimization criteria, but also in terms of production.
  • Das Ausführungsbeispiel der The embodiment of 2a 2a bis to 2c 2c zeigt ein vereinfachtes Vorgehen zu Anschauungszwecken. shows a simplified approach for illustrative purposes. Grundsätzlich ist mit dem vorliegenden Verfahren eine Topologieoptimierung in einem beliebigen 3D-Bauraum und beliebigen Randbedingungen möglich. Basically, a topology optimization in any 3D space and any boundary conditions is possible with the present method.

Claims (9)

  1. Optimierungsverfahren zur Ermittlung einer optimierten Bauteilform eines Faserverbundbauteils innerhalb eines vordefinierten Bauraumes ( Optimizing method for determining an optimized component form a fiber composite component within a predefined installation space ( 20 20 ) bezüglich vorgegebener Randbedingungen ( ) With respect to predetermined boundary conditions ( 21 21 , . 22 22 ) und vorgegebener Optimierungskriterien, mit den Iterationsschritten: a) Berechnen eines Lastverhaltens einer Bauteilform ( ) And predetermined optimization criteria, the iterative steps of: (a) calculating a load behavior of a component shape 23 23 ) in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen ( ) As a function (of the given boundary conditions 21 21 , . 22 22 ) innerhalb des vordefinierten Bauraumes ( ) (Within the predefined installation space 20 20 ), b) Verändern der Bauteilform ( ), B) altering the component form ( 23 23 ) innerhalb des vordefinierten Bauraumes ( ) (Within the predefined installation space 20 20 ) in Abhängigkeit von vorgegebenen Optimierungsstrategien, dem berechneten Lastverhalten der Bauteilform ( () In dependence on predetermined optimization strategies, the calculated load behavior of the component shape 23 23 ) und den vorgegebenen Randbedingungen unter Berücksichtigung eines Faserverlaufes ( ) And the given boundary conditions (taking into account a fiber path 24 24 ) der Bauteilform ( () Of the component shape 23 23 ) derart, dass die Optimierungskriterien durch die veränderte Bauteilform angenähert werden, und c) Ermitteln eines angepassten Faserverlaufes ( ) Such that the optimization criteria can be approximated by the change in shape of the component, and c) determining a matched fiber path ( 24 24 ) der in Schritt b) veränderten Bauteilform in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingung und Wiederholen der Schritte a) bis c) auf Basis der veränderten Bauteilform und des hieran angepassten Faserverlaufes entsprechend. ) Of the altered in step b) component shape in response to the predetermined constraint and repeating steps a) to c) in accordance with on the basis of changes in component form and adapted thereto fiber path.
  2. Optimierungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Wiederholen der Schritte a) bis c) solange, bis die Optimierungskriterien im Wesentlichen erreicht und/oder ein stabiler Zustand der Bauteilform aufgefunden wurde. Optimization method according to claim 1, characterized by repeating steps a) to c) until the optimization criteria substantially reached and / or a stable state of the shape of the component was found.
  3. Optimierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Vorgeben oder Ermitteln einer Startkonfiguration mit einer Start-Bauteilform ( Optimization method according to claim 1 or 2, characterized by specifying or determining a starting configuration with a start-component form ( 23 23 ) und eines Anfangs-Faserverlaufes ( ) And an initial fiber path ( 24 24 ) und Durchführen der ersten Iteration mit der Startkonfiguration. ) And performing the first iteration with the startup configuration.
  4. Optimierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln des Faserverlaufes der veränderten Bauteilform weiterhin in Abhängigkeit von einer Drapiereigenschaft eines für das Faserverbundbauteil zu verwendenden Faserhalbzeuges. Optimization method according to one of the preceding claims, characterized by determining the fiber course of the changes in component form further a function of a draping property of a to be used for the fiber composite component fiber semi-finished product.
  5. Optimierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verändern der Bauteilform in Schritt b) und/oder Ermitteln eines angepassten Faserverlaufes in Schritt c) weiter in Abhängigkeit von einer Materialeigenschaft eines für das Faserverbundbauteil zu verwendenden Faserhalbzeuges. Optimization method according to one of the preceding claims, characterized by varying the shape of the component in step b) and / or determining a matched fiber path in step c) is further a function of a material property of a to be used for the fiber composite component fiber semi-finished product.
  6. Optimierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verändern der Bauteilform in Schritt b) derart, dass die Bauteilform ein im Wesentlichen flächige Form ist. Optimization method according to one of the preceding claims, characterized in that changing the shape of the component in step b) such that the component shape is a substantially flat shape.
  7. Optimierungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verändern der Bauteilform in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Optimierungsstrategien durch Hinzufügen von Teilen ( Optimization method according to one of the preceding claims, characterized by varying the shape of the component in response to the predetermined optimization strategies by adding parts ( 25 25 ) zu der Bauteilform ( ) (To form the component 23 23 ) und/oder Entfernen von Teilen aus der Bauteilform. ) And / or removing parts from the part shape.
  8. Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. A computer program comprising program code means adapted to perform the method of any of claims 1 to 7 when the computer program is executed on a computer.
  9. Computerprogramm mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird. Computer program stored on a machine-readable carrier, the program code means adapted for implementing the method according to any one of claims 1 to 7 when the computer program is executed on a computer.
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