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
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Abstract
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 shape of a fiber composite component within a predefined installation space with respect to a predetermined boundary condition 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. 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. Allerdings sind gerade bei komplexen Bauteilformen die Herstellungskosten gegenüber anderen, herkömmlichen Materialien erhöht, da hier vieles in Handarbeit durchgeführt werden muss. Due to the special property to have a high stiffness or strength at a low weight, fiber composite components find more and more use in a variety of areas. In particular, where it comes down to a low weight of the components used, such as in the automotive sector or in aircraft, find complex fiber composite components in load-bearing structures application. However, especially in the case of complex component shapes, the manufacturing costs are higher than those of other conventional materials, since much has 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. 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. The production of a fiber composite component is carried out by draping a semi-finished fiber product (dry or pre-soaked) in a forming tool having the later shape of the desired component. Subsequently, the semifinished fiber product is infiltrated in the mold with a matrix resin, if this is not done sufficiently and then cured, so that the matrix resin reacts with the semi-finished fiber product 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. 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. Nicht zuletzt deshalb werden Faserverbundbauteile in der Regel auch in flächiger Form gebildet, um sich das richtungsabhängige Materialverhalten zu Nutze zu machen. Another difference to conventional, in particular isotropic materials (such as iron or steel) is that fiber composites have a direction-dependent material behavior, which is characterized in particular by the fiber profile of the fiber composite component underlying semifinished fiber. Thus, fiber composite components along their fiber direction usually their greatest stability and strength, while orthogonal to the fiber plane, the fiber composite component, the stability is relatively weak. Not least because of this fiber composite components are usually formed in a flat form in order to make use of the direction-dependent material behavior.
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. Solche Optimierungskriterien können beispielsweise die Reduzierung des Gewichtes sein, die Reduzierung der verwendeten Materialien oder ähnliches sein. 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. Denn in erster Linie muss das spätere Faserverbundbauteil die gestellten Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes und Einsatzzweckes erfüllen. Die Optimierung der Bauteilform wird dabei auch Topologieoptimierung genannt. Although the weight / stiffness ratio of fiber composite components over conventional materials is particularly favorable, there are still efforts to optimize the subsequent component shape of a fiber composite component with respect to certain optimization criteria. Such optimization criteria may be, for example, the reduction of the weight, the reduction of the materials used or the like. Prerequisite here, however, is always that the optimized component shape is chosen so that a later, based on this fiber composite component the set boundary conditions, such as clamping, forces, bearing points, loads and load direction is sufficient. First and foremost, the later fiber composite component must meet the requirements of the respective field of application and intended use. The optimization of the component form is also called topology optimization.
Es existieren Topologieoptimierer, die für isotrope Materialien, d.h. für Materialien, die in alle Richtungen die gleiche Materialeigenschaft und Festigkeit aufweisen, in beliebigen dreidimensionalen Designräumen die optimale Bauteilform auffinden. 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. There are topology optimizers available for isotropic materials, i. For materials that have the same material properties and strength in all directions, find the optimum component shape in any three-dimensional design space. An optimization strategy here is to use mathematical or heuristic methods to determine a truss construction from tensile and compression bars which, with regard to the given optimization criteria and the given boundary conditions, find the optimal design within the given three-dimensional design space.
Eine derartige Topologieoptimierung ist jedoch in der Regel für Faserverbundbauteile ungeeignet, da die richtungsabhängigen Materialeigenschaften unberücksichtigt bleiben. 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. However, such a topology optimization is usually unsuitable for fiber composite components, since the directional material properties remain unconsidered. If one were to use such an optimized component form for the production of a fiber composite component and replace the isotropic material with a fiber composite material with directional material properties, then one would again move away from the actual optimum, since the conventional topology optimizers based on isotropic materials do not take this directional material behavior into account ,
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 optimal component shape for a fiber composite component with respect to predetermined boundary conditions and optimization criteria can be determined within any three-dimensional design space.
Die Aufgabe wird mit dem Optimierungsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst mit den Iterationsschritten:
- a) Berechnen eines Lastverhaltens einer Bauteilform in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen innerhalb des vordefinierten Bauraumes,
- 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
- 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.
- a) calculating a load behavior of a component shape as a function of the predetermined boundary conditions within the predefined installation space,
- b) changing the component shape within the predefined installation space depending on predetermined optimization strategies, the calculated load behavior of the component form and the given boundary conditions taking into account a fiber profile of the component form such that the optimization criteria are approximated by the changed component shape, and
- c) Determining an adapted fiber profile of the component form changed in step b) as a function of the predetermined boundary condition and repeating the steps a) to c) on the basis of the changed component shape and the fiber shape adapted thereto.
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. 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. According to the invention, it is proposed that first of all a load behavior of a component form within the predefined installation space be calculated as a function of the predetermined boundary conditions, such as predetermined forces and force points, advantageously also taking into account a possible fiber progression. The calculated load behavior then finds its way into the topology optimization in step b), where the component shape is changed or adapted 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 into account one Fiber course of the component form.
Durch das Verändern der Bauteilform werden die gestellten Optimierungskriterien, beispielsweise Reduzierung des Gewichtes oder erhöhte Stabilität, entsprechend angenähert. 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 changing the component shape, the optimization criteria set, for example, reduction of weight or increased stability, are approximated accordingly. By taking into account the course of the fibers, in particular the direction-dependent material behavior defined by the fiber progression, the adaptation of the component form for optimization can specifically address the problems with respect to 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, a fiber shape adapted to this changed component shape is determined in step c), again in dependence on the given boundary conditions, so that an optimum fiber profile results in the component with respect to the changed component shape, the steps being repeated thereafter to approximate the optimal component shape and the optimal fiber shape.
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. Als stabiler Zustand wird der Zustand angesehen, bei dem eine Veränderung der Bauteilform in Schritt b) zu keiner Verbesserung der gestellten Optimierungskriterien mehr erreicht. Die Schritte werden somit mit den entsprechenden Vorgaben solange wiederholt, bis eine optimale Bauteilform und Faserverlauf hierzu aufgefunden wurde. Advantageously, the steps a) to c) are repeated until the component shape and the fiber profile required for the production of the fiber composite component have approximated so that a stable state has been found and / or the corresponding optimization criteria have been substantially achieved. The state in which a change in the component shape in step b) no longer achieves any improvement in the optimization criteria is regarded as a stable state. The steps are thus repeated with the appropriate specifications until an optimal component shape and fiber course has been found.
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 carried out by a calculating machine, whereby step a) can be carried out by a load calculation module, step b) by a form finding module and step c) by a fiber progression module of the calculating machine.
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. Vorteilhafterweise wird jedoch ein heuristischer Ansatz bevorzugt, bei dem Teile innerhalb des Bauteilraumes der Bauteilform hinzugefügt oder entsprechende Teile der Bauteilform entfernt werden. 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. Durch diesen heuristischen Ansatz zur Topologieoptimierung lässt sich unter Berücksichtigung des Faserverlaufes eine optimale Bauteilform auffinden. The predetermined optimization strategies can be based, for example, on a mathematical approach in which the optimal component shape is approximated by calculations, in particular by means of the finite element method. Advantageously, however, a heuristic approach is preferred in which parts within the component space are added to the component form or corresponding parts of the component form are removed. Thus, the change in the component shape depending on the optimization strategies carried out such that determined in relation to the given boundary conditions taking into account the fiber flow of the force flow or the load behavior and are added at locations with a high tensile and / or compressive stress parts of the component form, while parts of the component form are removed at points of the component form with low tensile and / or pressure loads. With this heuristic approach to topology optimization, it is possible to find an optimal component shape, taking the fiber orientation into account.
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 form therefore quantitatively describes the stress due to the predetermined loads (boundary conditions) at each position in the component, so that the tensile and / or compressive loading within the component can be determined at any desired position.
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. Die Drapiereigenschaft eines Faserhalbzeuges beschreibt im Wesentlichen die Eigenschaft des Faserhalbzeuges hinsichtlich von Verschiebungs-, Verzerr- und/oder 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. The determination of an adapted fiber profile to the component shape changed in step b) can furthermore be determined as a function of a draping property of a semifinished fiber product to be used for the fiber composite component, on the basis of which ultimately the fiber profile is based. The draping property of a semifinished fiber product essentially describes the property of the semifinished fiber product with regard to displacement, distortion and / or shear properties. This ensures that the course of the fiber within the component form is actually chosen such that the component can be produced later with such a fiber course.
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. Auf Basis der richtungsabhängigen Materialeigenschaft kann somit die optimale Bauteilform hinsichtlich der Randbedingungen unter Berücksichtung des Faserverlaufes aufgefunden werden. Advantageously, the material properties of a semifinished fiber product are also used as the basis for the steps, in particular direction-dependent material properties such as tensile and compressive loading of the material and the rigidity of the material. On the basis of the direction-dependent material property, the optimal component shape can thus be found with regard to the boundary conditions taking into account the fiber profile.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine flächige Bauteilform ermittelt wird, da dies dem richtungsabhängigen Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen besonders entgegenkommt. 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. It is particularly advantageous if a flat component shape is determined, since this is the Direction-dependent material behavior of fiber composites particularly accommodates. Thus, it is particularly advantageous if the changing of the component form in step b) is always carried out against the background that the changed component shape has essentially a 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. Die Start-Bauteilform und der diesbezügliche Anfangs-Faserverlauf werden dann dem ersten Iterationsschritt zugrunde gelegt. In den weiteren Iterationsschritten wird dann rekursiv die veränderte Bauteilform bzw. der angepasste Faserverlauf verwendet. In order to determine the starting conditions, it is advantageous if a starting configuration with a starting component shape and an initial fiber profile of this starting component form is specified. The starting component shape and the relevant initial fiber course are then used as the basis for the first iteration step. In the further iteration steps, the changed component shape or the adapted fiber profile is recursively used.
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. Diese Ermittlung kann durch ein Initialisierungsmodul der Recheneinheit durchgeführt werden. It is also conceivable, however, that the starting component shape and the initial fiber profile are determined in an initialization step before the first iteration as a function of the predetermined optimization strategies and the predetermined boundary conditions. This determination can be carried out by an initialization module of the arithmetic unit.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Veränderung der Bauteilform in Schritt
Die in Schritt
In einem Überprüfungsschritt
In dem Bauraum
Während eines Iterationsschritts wird die Anfangs-Bauteilform
Die Zug- und/oder Druckbeanspruchung der Bauteilform erfolgt dabei in Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen (Einspannung, Lasten) unter Berücksichtigung des Faserverlaufes
Im anschließenden Schritt wird dann der Faserverlauf
Zu erkennen ist, dass sich sowohl die Bauteilform als auch der Faserverlauf
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. 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. The optimization strategies for determining the optimum design are thus chosen such that, in addition to an approximation to the optimization criteria, a planar shape is always preferred. The change of the component form within the predefined installation space as a function of the given optimization strategies and the given boundary conditions, taking into account a fiber progression, thus takes place in such a way that the optimization criteria are approximated by the changed component form in a planar form.
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. 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. In addition, taking into account a draping property of a semifinished fiber product to be used, the fiber course can also be determined in such a way that afterwards a physically physically producible component results, without further adaptations being necessary. Since semifinished fiber products can only be shortened to a limited extent without causing defects in the later component, by taking into account the draping property not only a component form can be found which is optimized with regard to the optimization criteria, but also with regard to production.
Das Ausführungsbeispiel der
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