DE102015214750A1 - Method and device for shape and topology optimization of a cast component - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils, das in einem Finite-Elemente-Raster (10) modelliert wird, wobei die Form und Topologie des Gussbauteils mithilfe eines Optimierungsverfahrens iterativ in mehreren Optimierungsschritten optimiert wird, wobei in jedem Optimierungsschritt eine Anzahl von virtuellen Volumenelemente (11) in dem Finite-Elemente-Raster (10) entfernt und/oder angelagert wird, wobei während jedes Optimierungsschritts ein Entfernen und/oder Anlagern von Volumenelementen (11) nur zugelassen wird, wenn dadurch eine Neigung eines durch das zu entfernende bzw. das anzulagernde Volumenelement (11) bestimmten Flächenbereichs nicht geringer wird als ein vorgegebener Mindestentformungswinkel zu einer Auszugsrichtung (A).The invention relates to a method for shape and topology optimization of a cast component, which is modeled in a finite element grid (10), wherein the shape and topology of the cast component is iteratively optimized in several optimization steps using an optimization method, wherein in each optimization step a number is removed and / or deposited by virtual volume elements (11) in the finite element grid (10), wherein during each optimization step, removal and / or attachment of volume elements (11) is only allowed if thereby an inclination of a through Removing or to be deposited volume element (11) certain surface area is not less than a predetermined minimum draft angle to a pull-out direction (A).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Gestalten und Optimieren von Gussbauteilen mit Hilfe einer FEM-Simulation (FEM: Finite-Elemente-Methode).The invention relates to methods for designing and optimizing cast components using an FEM simulation (FEM: finite element method).

Stand der TechnikState of the art

Das Design von mechanischen Bauteilen wird häufig mit Hilfe computergestützter Optimierungsverfahren bestimmt, die dafür gebräuchliche Finite-Elemente-Methode wird als Standardwerkzeug bei der Bauteilsimulation verwendet.The design of mechanical components is often determined by means of computer-aided optimization methods, the usual finite element method is used as a standard tool in component simulation.

Bei Form- und Topologieoptimierungen von mechanischen Bauteilen wird das Bauteil so designt, dass das Material, aus dem das Bauteil gefertigt werden soll, möglichst belastungsgerecht verteilt wird. Weiterhin soll der Materialeinsatz minimiert werden, da das modellierte Bauteil ein möglichst geringes Bauteilgewicht haben soll und die Kosten reduziert werden sollen. Dazu werden mithilfe eines Simulationsprogramms die Belastungen des Bauteils simuliert und dieses so lange verändert, bis die Belastungsgrenzen des Bauteils eingehalten werden. Bei bisherigen Verfahren zur Bauteiloptimierung für Bauteile werden für eine Veränderung des Bauteils Volumenelemente aus einem Finite-Elemente-Raster entfernt oder in dieses angelagert.In the case of form and topology optimizations of mechanical components, the component is designed so that the material from which the component is to be manufactured is distributed as stress-tolerant as possible. Furthermore, the use of materials should be minimized because the modeled component should have the lowest possible component weight and costs should be reduced. For this purpose, the loads of the component are simulated using a simulation program and this is changed until the load limits of the component are met. In previous methods for component optimization for components volume elements are removed from a finite element grid or deposited in this for a change of the component.

Für das Design von Gussbauteilen sind seitens der Fertigung weitere Design-Restriktionen zu berücksichtigen. Bislang sehen Optimierungsverfahren für das Design von Gussbauteilen vor, Volumenelemente nur in bzw. entgegen der Auszugsrichtung anzulagern bzw. zu entfernen. Dadurch werden Hinterschnitte vermieden, die für eine Entformbarkeit aus der Gussform bei der Herstellung des designten Gussbauteils auf jeden Fall vermieden werden müssen. For the design of cast components, further design restrictions must be considered by the manufacturer. So far, optimization processes for the design of cast components envisage the accumulation and removal of volume elements only in or against the separation direction. As a result, undercuts are avoided, which must be avoided in any case for demolding from the mold during the production of the designed cast component.

Ein wichtiges Kriterium für die Entformbarkeit ergibt sich jedoch weiterhin dadurch, dass parallel zur Auszugsrichtung verlaufende Kanten an einer entsprechenden Fläche der Gussform anhaften und dadurch schwer entformbar sind. Die Entformbarkeit ist deutlich verbessert, wenn diese Flächen einen Entformungswinkel zur Auszugsrichtung bzw. eine Entformungsschräge aufweisen. Insbesondere sollten Flächen mindestens einen Winkel von 2° bis 4° bezüglich der Auszugsrichtung aufweisen, so dass das Gussbauteil einfach aus der Gussform entnommen werden kann. However, an important criterion for releasability results, furthermore, from the fact that edges running parallel to the extension direction adhere to a corresponding surface of the casting mold and are therefore difficult to demold. The demoldability is significantly improved if these surfaces have a Entformungswinkel to the extension direction or a Entformungsschräge. In particular, surfaces should have at least an angle of 2 ° to 4 ° with respect to the extension direction, so that the cast component can be easily removed from the mold.

Entstehen durch die Verwendung von bisherigen Optimierungsverfahren parallel zur Auszugsrichtung verlaufende Flächen, so müssen diese nach der Durchführung der Form- und Topologieoptimierung angepasst werden. Da aus Gründen der Belastbarkeit dabei in der Regel Material nur hinzugefügt werden darf, führt dies zu einem erhöhten Bauteilgewicht und das zuvor optimierte Design des Bauteils wird in der Regel verschlechtert. Zudem wird die Entwicklungsdauer durch den nachfolgenden Schritt des Nachbearbeitens der zur Auszugsrichtung parallelen Fläche verlängert.If, due to the use of previous optimization methods, surfaces running parallel to the extension direction are created, then these must be adapted after the shape and topology optimization has been carried out. Since, for reasons of resilience, material may generally only be added, this leads to an increased component weight and the previously optimized design of the component is generally worsened. In addition, the development time is extended by the subsequent step of reworking the surface parallel to the extension direction.

Aus der Druckschrift DE 103 47 786 A1 ist ein Verfahren zum Erstellen einer Gießform für ein Bauteil beschrieben. Bei dem Verfahren wird iterativ sowohl eine Topologie-Optimierung als auch eine Fülloptimierung mit Hilfe von Simulationsprogrammen durchgeführt. Durch die iterative und abwechselnde Topologie und Fülloptimierung behält man eine verbesserte Gießform. From the publication DE 103 47 786 A1 a method for creating a mold for a component is described. The method iteratively performs both a topology optimization and a fill optimization with the aid of simulation programs. By the iterative and alternating topology and filling optimization one keeps an improved casting mold.

Aus der Druckschrift DE 100 53 299 A1 ist ebenfalls bekannt, mit Hilfe eines Strukturoptimierungsverfahrens ein strukturoptimiertes Modell aus einem Designraummodell zu erhalten.From the publication DE 100 53 299 A1 It is also known to obtain a structure-optimized model from a design space model with the aid of a structure optimization method.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils zur Verfügung zu stellen, wobei das Gussbauteil so gestaltet wird, dass eine einfache Entformbarkeit aus der Gussform möglich ist.It is an object of the present invention to provide a method for the shape and topology optimization of a cast component, wherein the cast component is designed so that a simple mold release from the mold is possible.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.This object is achieved by the method for shape and topology optimization of a cast component according to claim 1 and by the device according to the independent claim.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils, das in einem Finite-Elemente-Raster modelliert wird, vorgesehen, wobei die Form und Topologie des Gussbauteils mithilfe eines Optimierungsverfahrens iterativ in mehreren Optimierungsschritten optimiert wird. In jedem Optimierungsschritt wird eine Anzahl von virtuellen Volumenelementen in dem Finite-Elemente-Raster entfernt und/oder angelagert. Während jedes Optimierungsschritts wird ein Entfernen und/oder Anlagern von Volumenelementen nur zugelassen, wenn dadurch eine Neigung eines durch das zu entfernende bzw. das anzulagernde Volumenelement bestimmten Flächenbereichs zu einer Auszugsrichtung nicht geringer wird als ein vorgegebener Mindestentformungswinkel.According to a first aspect, a method for shape and topology optimization of a cast component, which is modeled in a finite element raster, is provided, wherein the shape and topology of the cast component is optimized iteratively in a plurality of optimization steps using an optimization method. In each optimization step, a number of virtual volume elements in the finite element grid are removed and / or deposited. During each optimization step, removal and / or attachment of volume elements is only permitted if an inclination of a surface area determined by the volume element to be removed or deposited to an extension direction does not become less than a predetermined minimum draft angle.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, das Kriterium der einzuhaltenden Entformungsschrägen bereits in den iterativen Optimierungsschritten des Optimierungsverfahrens so zu berücksichtigen, dass eine nachträgliche Bearbeitung des mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens designten Gussbauteils zum Hinzufügen der Entformungsschrägen nicht notwendig ist. Dadurch lassen sich die damit verbundenen Nachteile umgehen, und es kann ein Gussbauteil designt werden, das einerseits gemäß den Optimierungsparametern optimiert ist und das andererseits die notwendigen Entformungsschrägen für nahezu in Auszugsrichtung verlaufende Flächen aufweist. Dabei wird das Optimierungsverfahren so durchgeführt, dass Volumenelemente in einem Finite-Elemente-Raster zugeführt oder entfernt werden, um gemäß einem Optimierungsziel ein optimiertes Gussbauteil zu designen. One idea of the above method consists in the criterion of the draft angles to be maintained already in the iterative optimization steps of the optimization method take into account that a subsequent machining of the casting component designed with the aid of an optimization method for the addition of draft angles is not necessary. As a result, the associated disadvantages can be avoided, and it can be designed a cast component, which is optimized on the one hand according to the optimization parameters and on the other hand has the necessary Entformungsschrägen for extending almost in the extension direction surfaces. The optimization method is carried out in such a way that volume elements are fed or removed in a finite element grid in order to design an optimized cast component in accordance with an optimization target.

Insbesondere werden jedoch Volumenelemente zum Entfernen aus einem Finite-Elemente-Raster nur freigegeben, wenn sich dadurch bezüglich einer vorgegebenen Auszugsrichtung ein Winkel ergibt, der größer ist als ein vorgegebener Entformungswinkel. Die Auszugsrichtung entspricht dabei der Richtung, in der das herzustellende Bauteil aus der Gussform entfernt werden soll.In particular, however, volume elements are only released for removal from a finite element grid if this results in an angle with respect to a predetermined extension direction that is greater than a predetermined draft angle. The extension direction corresponds to the direction in which the component to be removed is to be removed from the mold.

Das Anlagern von Volumenelementen erfolgt wie beim Entfernen von Volumenelementen, nur in Auszugsrichtung auf bestehende Volumenelemente, so dass Hinterschnitte vermieden werden. Entstehen durch das Anlagern von Volumenelementen Flächenbereiche, die zu der Auszugsrichtung einen Winkel aufweisen, der kleiner ist als der Entformungswinkel, so wird das Anlagern nur zugelassen, wenn seitlich versetzt zu dem anzulagernden Volumenelemente zusätzliche Volumenelemente zum Bilden der Entformungsschräge hinzugefügt werden können. Die zusätzlichen Volumenelemente dienen dazu, der durch das Anlagern von Volumenelemente entstandenen Flächenbereich einen Winkel zur Auszugsrichtung zu geben, der mindestens dem vorgegebenen minimalen Entformungswinkel entspricht. The attachment of volume elements takes place as in the removal of volume elements, only in the extension direction on existing volume elements, so that undercuts are avoided. Arise by the attachment of volume elements surface areas which have an angle to the extension direction, which is smaller than the Entformungswinkel, the attachment is only allowed if added laterally offset to the volume elements to be applied additional volume elements to form the Entformungsschräge. The additional volume elements serve to give the surface area created by the attachment of volume elements an angle to the extension direction which corresponds at least to the predetermined minimum demoulding angle.

Auf diese Weise können bereits bei der Durchführung des Optimierungsverfahrens zur Gestaltung des Gussbauteils alle in Auszugsrichtung liegenden Flächenbereiche mit Entformungsschrägen versehen werden. Dadurch werden deren Beiträge für die Belastbarkeit des zu gestaltenden Bauteils in der Formoptimierung berücksichtigt. Weiterhin kann auf eine Nachbearbeitung des formoptimierten Gussbauteils zum Vorsehen von Entformungsschrägen verzichtet werden.In this way, even in the implementation of the optimization method for the design of the cast component, all areas lying in the direction of extension can be provided with draft angles. As a result, their contributions to the load capacity of the component to be designed in the shape optimization are taken into account. Furthermore, post-processing of the shape-optimized cast component for providing draft angles can be dispensed with.

Während durch das nachträgliche Vorsehen von Entformungsschrägen das Gesamtgewicht des Gussbauteils vergrößert wird, wird beim obigen Verfahren das sich aus dem Optimierungsverfahren ergebende Anlagern und Entfernen von Volumenelementen nur so zugelassen, dass sich Entfernungsschrägen automatisch ausbilden. Die so gebildeten Entformungsschrägen werden für die mechanischen Belastungsgrenzen des Gussbauteils im Optimierungsverfahren berücksichtigt, so dass im Gegensatz zum bisherigen Verfahren nicht notwendigerweise eine Gewichtserhöhung durch das Vorsehen der Entformungsschrägen auftreten muss.While the total weight of the cast component is increased by the subsequent provision of draft angles, in the above method the annealing and removal of volume elements resulting from the optimization method is only permitted in such a way that distance slopes are formed automatically. The Entformungsschrägen thus formed are taken into account for the mechanical load limits of the cast component in the optimization process, so that in contrast to the previous method does not necessarily have an increase in weight due to the provision of the Entformungsschrägen must occur.

Weiterhin kann die Auszugsrichtung angeben, in welche Richtung eine Gussform beim Entformen von dem Gussbauteil abgezogen wird, wenn dieses entsprechend dem Optimierungsverfahren gestaltet wurde.Furthermore, the extension direction can specify in which direction a casting mold is removed during removal from the cast component, if this has been designed according to the optimization method.

Es kann vorgesehen sein, dass das Optimierungsverfahren eine Simulation einer oder mehrerer Belastungsgrößen für jedes der im Finite-Elemente-Raster gesetzten Volumenelemente umfasst.It can be provided that the optimization method comprises a simulation of one or more load variables for each of the volume elements set in the finite element grid.

Weiterhin kann ein Entfernen eines Volumenelementes nur zugelassen werden, wenn dieses sowohl kein in Auszugsrichtung benachbartes Volumenelement aufweist als auch ein benachbartes Volumenelement entgegen der Auszugsrichtung vorhanden ist. Furthermore, removal of a volume element can only be permitted if it does not have any volume element adjacent in the extension direction and there is also an adjacent volume element opposite to the extension direction.

Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl von Volumenelemente schrittweise durch nacheinander erfolgendes Entfernen von jeweils demjenigen der zum Entfernen zugelassenen Volumenelemente entfernt wird, das einen geringsten Anteil der Belastung aufweist. Insbesondere kann ein Anlagern eines Volumenelementes nur zugelassen werden, wenn dieses in Auszugsrichtung auf ein bestehendes Volumenelement aufsetzbar ist. It may be provided that the number of volume elements is removed stepwise by sequentially removing each of those of the volume elements allowed to be removed, which has a least amount of the load. In particular, attaching a volume element can only be allowed if it can be placed in the extension direction on an existing volume element.

Des Weiteren kann, wenn durch das Anlagern eines Volumenelement eine Neigung eines das anzulagernde Volumenelement umgebenden Flächenbereichs so verändert wird, dass der Entformungswinkel unterschritten wird, quer zur Auszugsrichtung benachbart zu dem anzulagernden Volumenelement, ein oder mehrere weitere Volumenelemente angelagert werden, bis der das anzulagernde Volumenelement umgebenden Flächenbereich eine Neigung mit mindestens dem Mindestentformungswinkel zur Auszugsrichtung aufweist.Furthermore, if, by attaching a volume element, an inclination of a surface area surrounding the volume element to be deposited is changed such that the demoulding angle is undershot, one or more further volume elements are deposited transversely to the extension direction adjacent to the volume element to be deposited until the volume element to be attached surrounding area has an inclination with at least the minimum draft angle to the extension direction.

Gemäß einer Ausführungsform kann ein Anlagern oder Entfernen des Volumenelementes unterbunden werden, wenn sich durch das Anlagern oder Entfernen des einen oder der mehreren zusätzlichen Volumenelemente eine Tasche mit einer Taschengröße ausbildet, die einen kleineren Durchmesser bzw. eine kleinere Abmessung quer zur Auszugsrichtung haben als ein vorgegebener Minimalwert.According to one embodiment, attachment or removal of the volume element may be inhibited if, by attaching or removing the one or more additional volume elements, a bag having a pocket size having a smaller diameter or dimension transverse to the extension direction than a predetermined one is formed minimum value.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils vorgesehen, das in einem Finite-Elemente-Raster modelliert wird. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um die Form und Topologie des Gussbauteils mithilfe eines Optimierungsverfahrens iterativ in mehreren Optimierungsschritten zu optimieren, wobei in jedem Optimierungsschritt eine Anzahl von virtuellen Volumenelemente in dem Finite-Elemente-Raster entfernt und/oder angelagert wird, und um während jedes Optimierungsschritts ein Entfernen und/oder Anlagern von Volumenelementen nur zuzulassen, wenn dadurch eine Neigung eines durch das zu entfernende bzw. das anzulagernde Volumenelement bestimmten Flächenbereichs nicht geringer wird als ein vorgegebener Mindestentformungswinkel zu einer Auszugsrichtung.In another aspect, an apparatus for performing shape and topology optimization of a cast component that is modeled in a finite element grid is provided. The device is adapted to the shape and Optimize the topology of the cast component iteratively in several optimization steps using an optimization method, removing and / or depositing a number of virtual volume elements in the finite element grid in each optimization step, and removing and / or annealing volume elements only during each optimization step to admit, if thereby an inclination of a determined by the to be removed or the volume element to be deposited surface area is not less than a predetermined Mindestentformungswinkel to a pull-out direction.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils; 1 a flowchart for illustrating the method for shape and topology optimization of a cast component;

2 eine Veranschaulichung der Vorgehensweise beim Entfernen von Volumenelementen; und 2 an illustration of the procedure for removing volume elements; and

3a bis 3c eine Veranschaulichung der Vorgehensweise beim Anlagern von Volumenelementen. 3a to 3c an illustration of the procedure for attaching volume elements.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

1 zeigt schematisch anhand eines Flussdiagramms den Ablauf eines Verfahrens zur Formoptimierung eines Gussbauteils, bei dem für alle Flächen ein Mindestentformungswinkel mit Bezug zu einer vorgegebenen Auszugsrichtung eingehalten wird. In 2 ist ein Finite-Elemente-Raster 10 mit Volumenelementen 11 beispielhaft dargestellt. 1 schematically shows the flow of a method for shape optimization of a cast component, in which a minimum draft angle is maintained with respect to a predetermined extension direction for all surfaces schematically using a flow chart. In 2 is a finite element grid 10 with volume elements 11 exemplified.

In Schritt S1 wird das dreidimensionale Finite-Elemente-Raster 10 mit den aneinander angeordneten (virtuellen) Volumenelementen 11 bereitgestellt und gleichzeitig die Auszugsrichtung A zumindest für einen Bereich des Finite-Elemente-Rasters definiert bzw. vorgegeben. Das Finite-Elemente-Raster 10 entspricht einem mathematischen Raster mit Anordnungsstellen, an denen die virtuellen Volumenelemente 11 positioniert werden können und von diesen entfernt werden können. Die Auszugsrichtung A gibt an, in welche Richtung eine Gussform beim Entformen von dem Gussbauteil abgezogen wird, wenn das Gussbauteil zuvor entsprechend dem hierin beschriebenen Optimierungsverfahren gestaltet wurde. In step S1, the three-dimensional finite element grid 10 with the juxtaposed (virtual) volume elements 11 provided and defined at the same time the extension direction A at least for a portion of the finite element grid or predetermined. The finite element grid 10 corresponds to a mathematical grid with placement points where the virtual volume elements 11 can be positioned and removed from them. The extension direction A indicates in which direction a casting mold is removed during removal from the cast component, if the casting component has previously been designed in accordance with the optimization method described herein.

Das Optimierungsverfahren entspricht einer Finite-Elemente-Methode und hat als Zielsetzung die mechanische Belastbarkeit eines durch die Anordnung der virtuellen Volumenelemente im Finite-Elemente-Raster 10 definierten Gussbauteils zu optimieren und dabei dessen Gewicht bzw. den Materialeinsatz bei dessen Herstellung zu reduzieren.The optimization method corresponds to a finite element method and has as its objective the mechanical resilience of the arrangement of the virtual volume elements in the finite element grid 10 to optimize defined casting components while reducing its weight or the use of material in its manufacture.

Das Optimierungsverfahren wird in Optimierungsschritten iterativ durchgeführt, das als Ergebnis eine Anzahl von zu entfernenden Volumenelementen und/oder eine Anzahl von anzulagernden Volumenelementen angibt. Es kann ein Startdesign für das zu gestaltende Gussbauteil vorgegeben werden.The optimization method is performed iteratively in optimization steps, which as a result indicates a number of volume elements to be removed and / or a number of volume elements to be stored. It can be given a start design for the cast component to be designed.

In Schritt S2 wird eine Simulation des bestehenden, durch die Anordnung der Volumenelemente 11 bestimmten Designs eines Gussbauteils durchgeführt und eine oder mehrere Belastungsgrößen für jedes der Volumenelemente 11 in an sich bekannter Weise ermittelt. In step S2, a simulation of the existing, by the arrangement of the volume elements 11 specific design of a cast component and one or more load sizes for each of the volume elements 11 ascertained in a manner known per se.

In Schritt S3 wird anhand der Simulationsergebnisse überprüft, ob Volumenelemente aus dem Finite-Elemente-Raster 10 entfernt werden sollen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, anderenfalls wird zum Schritt S5 gesprungen.In step S3, it is checked on the basis of the simulation results, whether volume elements from the finite element grid 10 should be removed. If this is the case (alternative: yes), the method continues with step S4, otherwise it jumps to step S5.

In Schritt S4 werden zum Entfernen diejenigen Volumenelemente ausgewählt, deren Beitrag zur Belastungsfähigkeit des gesamten Designs am geringsten ist bzw. dessen Belastungsgrößen die geringste Belastung von allen Volumenelemente angeben. Die Anzahl der pro Iterationsschritt zu entfernenden Volumenelemente ist vorgegeben und bestimmt die Stabilität des Optimierungsverfahrens.In step S4, those volume elements whose contribution to the load capacity of the entire design is the smallest or whose load sizes indicate the lowest load of all volume elements are selected for removal. The number of volume elements to be removed per iteration step is predetermined and determines the stability of the optimization method.

Zum Gestalten eines Gussbauteils werden beim Entfernen Volumenelemente 11 nacheinander so entfernt, dass immer nur diejenigen Volumenelemente 11, die bezüglich des Finite-Elemente-Rasters 10 am weitesten von einer quer zur Auszugsrichtung A verlaufenden Ebene entfernt liegen, entfernt werden dürfen. Mit anderen Worten wird ein Entfernen eines Volumenelementes 11 nur zugelassen, wenn dieses sowohl kein in Auszugsrichtung benachbartes Volumenelement 11 aufweist als auch ein benachbartes Volumenelement 11 entgegen der Auszugsrichtung A vorhanden ist.To design a cast component, volume elements are removed when removed 11 one after the other so that only those volume elements are removed 11 concerning the finite element grid 10 are furthest away from a transverse plane to the extension direction A, may be removed. In other words, a removal of a volume element 11 only permitted if this does not have any volume element adjacent in the extension direction 11 as well as an adjacent volume element 11 opposite to the extension direction A is present.

Auch durch Restriktionen, d.h. Kriterien, die während des Optimierungsprozesses berücksichtigt werden müssen, können Volumenelemente 11 von dem Prozess des Entfernens ausgenommen werden, um ein bestimmtes Kriterium nicht zu verletzen. So werden zur Einhaltung von Entformungsschrägen für jedes nach obigen Kriterium zum Entfernen zugelassenes Volumenelement eine lokale Steigung eines Flächenbereichs des Gussbauteils an der Position des zu entfernenden Volumenelements ermittelt und das Entfernen des betreffenden Volumenelements nur zugelassen, wenn dadurch die Neigungen von sich in Auszugsrichtung A bzw. entgegen der Auszugsrichtung anschließenden Flächenbereiche einen vorgegebenen Mindestentformungswinkel zur Auszugsrichtung A nicht unterschreiten.Restrictions, ie criteria that must be taken into account during the optimization process, can also be used to create volume elements 11 be excluded from the removal process so as not to violate a particular criterion. Thus, in order to comply with draft angles for each volume element approved according to the above criterion, a local slope of a surface area of the cast component at the position of the volume element to be removed is determined and the removal of the relevant volume element is only permitted if thereby Slopes of in the extension direction A or against the extension direction subsequent surface areas a predetermined Mindestentformungswinkel to the extension direction A does not fall below.

Der Mindestentformungswinkel kann einem Winkel von 1° bis 5°, insbesondere von 2° bis 4° zur Auszugsrichtung entsprechen, wobei der Mindestentformungswinkel einem Mindestwinkel zur Auszugsrichtung A entspricht, bei der ein einfaches Entformen des Gussbauteils aus den Gussformteilen möglich ist. Dies entspricht Flächenbereichen, die schräg zur Auszugsrichtung A ausgerichtet sind bzw. verlaufen. Entspricht die Neigung des Flächenbereichs um das Volumenelement einer Steigung, die zu der Auszugsrichtung A einen Winkel aufweist, der kleiner ist als der Mindestentformungswinkel, so wird ein Entfernen des betreffenden Volumenelements 11 nicht zugelassen, und stattdessen müssen andere Volumenelemente 11 entfernt werden, selbst wenn das Optimierungsverfahren das betreffende Volumenelement 11 als eines bestimmt hat, das nur einen geringen Beitrag zur mechanischen Belastbarkeit des Gussbauteils liefert bzw. einen geringen Anteil der Belastung des Gussbauteils trägt. Dadurch ergibt sich, dass andere Volumenelemente 11 entfernt werden und die Struktur des so gestalteten Gussbauteils von einer Struktur eines Gussbauteils abweicht, das ohne das Kriterium der notwendigen Entformungsschrägen optimiert wurde.The minimum draft angle may correspond to an angle of 1 ° to 5 °, in particular 2 ° to 4 ° to the extension direction, wherein the minimum draft angle corresponds to a minimum angle to the extension direction A, in which a simple demoulding of the cast component from the mold parts is possible. This corresponds to surface areas that are aligned obliquely to the extension direction A or run. If the inclination of the surface area around the volume element of a slope corresponding to the extension direction A at an angle which is smaller than the minimum draft angle corresponds to a removal of the relevant volume element 11 not allowed, and instead have other volume elements 11 be removed, even if the optimization method the volume element in question 11 determined as one that provides only a small contribution to the mechanical strength of the cast component or contributes a small proportion of the load of the cast component. This results in that other volume elements 11 are removed and the structure of the thus formed cast component deviates from a structure of a cast component, which has been optimized without the criterion of the necessary Entformungsschrägen.

In 2 ist ein Finite-Elemente-Raster 10 mit Volumenelementen 11 zur Illustration dargestellt, welche Volumenelemente 11 entfernt werden können, ohne das Kriterium des Entformungswinkels zu verletzen. Die übrigen Volumenelemente 11 dürfen in dem aktuellen Optimierungsschritt nicht entfernt werden, um das Kriterium des Entfernungswinkels nicht zu verletzen. Die mit 11a gekennzeichneten Volumenelemente sind die in Auszugsrichtung äußersten und sind damit die einzigen, die grundsätzlich zum Entfernen zur Verfügung stehen. Ein Entfernen des weiterhin mit 11b gekennzeichneten Volumenelements muss jedoch unterbunden werden, da der umgebende Flächenbereich dadurch eine Neigung erhalten würde, die geringer als ein Mindestentformungswinkel ist. Wird zuvor das mit 11c gekennzeichnete Volumenelement entfernt, so kann nachfolgend auch das Volumenelement 11b entfernt werden. In 2 is a finite element grid 10 with volume elements 11 to illustrate what volume elements 11 can be removed without violating the demolding angle criterion. The remaining volume elements 11 may not be removed in the current optimization step so as not to violate the distance angle criterion. With 11a marked volume elements are the outermost in the extension direction and are thus the only ones that are available for removal in principle. A removal of the continue with 11b However, the indicated volume element must be prevented because the surrounding surface area would thereby obtain a slope that is less than a minimum draft angle. Will that be with before 11c marked volume element removed, then below the volume element 11b be removed.

Das Entfernen erfolgt schrittweise durch nacheinander erfolgendes Wegnehmen von jeweils demjenigen der Volumenelemente 11a, das einen geringsten Beitrag zur Belastbarkeit aufweist.The removal is carried out stepwise by successively removing each of those of the volume elements 11a , which has a least contribution to resilience.

In Schritt S5 wird überprüft, ob Volumenelemente angelagert werden sollen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative. Nein) wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt.In step S5 it is checked whether volume elements should be deposited. If this is the case (alternative: yes), the method is continued with step S6, otherwise (alternative no), the method is continued with step S2.

In der Regel erfolgt das Design von Gussbauteilen basierend auf einem vollständig gefüllten Finite-Elemente-Raster 10, aus dem Volumenelemente 11 entfernt werden, um daraus ein hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit und des Gewichts optimiertes Design eines Gussbauteils zu erhalten. Um Spannungsspitzen zu verringern, ist es jedoch notwendig, zusätzlich zu dem Entfernen von Volumenelementen 11 in jedem oder bestimmten Optimierungsschritten Volumenelemente 11 anzulagern. As a rule, the design of cast components is based on a completely filled finite element grid 10 , from the volume elements 11 be removed in order to obtain a mechanical design and weight optimized design of a cast component. However, in order to reduce voltage spikes, it is necessary, in addition to the removal of volume elements 11 Volume elements in each or certain optimization steps 11 attach.

Hinterschnitte beim Anlagern von Volumenelementen 11 werden verhindert, indem die Anlagerung grundsätzlich nur in Auszugsrichtung A erfolgt. D.h., es werden Volumenelementen 11 beim Anlagern nur in Auszugsrichtung A auf ein bestehendes Volumenelement A des Finite-Elemente-Rasters 10 aufgesetzt. Undercuts when attaching volume elements 11 be prevented by the attachment takes place in principle only in the extension direction A. That is, it becomes volume elements 11 when attaching only in the extension direction A on an existing volume element A of the finite element grid 10 placed.

Wenn in Schritt S5 entschieden wurde, Volumenelemente 11 anzulagern, erfolgt die Anlagerung in Schritt S6. Es werden Volumenelemente 11 aufgesetzt, die dazu führen, dass die Neigung eines das zuletzt angelagerte Volumenelement 11 umgebenden Flächenbereich so verändert wird, dass der Entformungswinkel unterschritten wird, so können benachbart zu dem zuletzt angelagerten Volumenelement 11, d.h. rechtwinklig zur Auszugsrichtung A benachbart, ein oder mehrere weitere Volumenelemente 11 angelagert werden. Dadurch wird eine Entformungsschräge ausgebildet, die einen Winkel zur Auszugsrichtung A aufweist, der dem Mindestentformungswinkel oder einem dazu größeren Winkel entspricht. Das durch das Anlagern eines Volumenelementes bewirkte zusätzliche Anlagern von Volumenelementen erfolgt so lange, bis das Kriterium des Mindestentformungswinkels in dem das angelagerte Volumenelement umgebenden Bereich erfüllt ist. If it was decided in step S5, volume elements 11 to accumulate, the attachment takes place in step S6. There are volume elements 11 put on, which cause the inclination of a last accumulated volume element 11 surrounding surface area is changed so that the demolding angle is exceeded, so may adjacent to the last accumulated volume element 11 , ie at right angles to the extension direction A adjacent, one or more further volume elements 11 be attached. As a result, a draft angle is formed, which has an angle to the extension direction A, which corresponds to the minimum draft angle or to a larger angle. The additional attachment of volume elements effected by attaching a volume element takes place until the criterion of the minimum draft angle in the area surrounding the attached volume element is met.

3a zeigt den Ausgangszustand eines beispielhaften Bauteilmodells für ein Gussbauteil. In 3b ist dieses FEM-Modell mit Volumenelementen 12a versehen, die angelagert worden sind. 3c zeigt nun zusätzliche Volumenelemente 12b, die hinzugefügt werden, um die Entformungsschräge mit dem notwendigen Mindestentformungswinkel auszubilden. 3a shows the initial state of an exemplary component model for a cast component. In 3b is this FEM model with volume elements 12a provided that have been deposited. 3c now shows additional volume elements 12b , which are added to form the Entformungsschräge with the necessary minimum draft angle.

Der durch das Volumenelement 11 bestimmte Flächenbereich, dessen Neigung für die Bewertung des Mindestentformungswinkels maßgeblich ist, umfasst den Flächenbereich, der sich ausgehend von dem zu entfernenden Volumenelement 11 in Richtung der Auszugsrichtung A erstreckt, und/oder den Flächenbereich, der sich in eine Richtung entgegen der Auszugsrichtung A erstreckt.The through the volume element 11 certain surface area, the slope of which is decisive for the evaluation of the minimum draft angle, comprises the surface area which extends from the volume element to be removed 11 extends in the direction of the extension direction A, and / or the surface area which extends in a direction opposite to the extension direction A.

Obwohl die Darstellungen der 2 und 3a–3c lediglich zweidimensional das Entfernen und Anlagern von Volumenelementen 11 beschreiben, ist jedoch klar, dass der Prozess des Entfernens und Anlagerns von Volumenelementen 11 in zwei Dimensionen rechtwinklig zur Auszugsrichtung A stattfindet. Although the representations of the 2 and 3a - 3c only two-dimensional the removal and attachment of volume elements 11 However, it is clear that the process of removing and attaching volume elements 11 takes place in two dimensions at right angles to the extension direction A.

Ergibt sich durch das Entfernen eines bestehenden Volumenelementes 11 oder das Anlagern eines zusätzlichen Volumenelementes 11 eine Tasche mit einer Taschengröße ausbildet, die einen kleineren Durchmesser bzw. eine kleinere Abmessung in Auszugsrichtung A haben als ein vorgegebener Minimalwert, so soll das Anlagern oder Entfernen des betreffenden Volumenelements 11 unterbunden werden. Auf diese Weise können zu kleine Taschengrößen in dem Gussbauteil vermieden werden, die zu Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch führen können. Results by removing an existing volume element 11 or the attachment of an additional volume element 11 a bag with a pocket size forms, which have a smaller diameter or a smaller dimension in the extension direction A than a predetermined minimum value, so should the attachment or removal of the relevant volume element 11 be prevented. In this way, too small pocket sizes can be avoided in the cast component, which can lead to tool wear and tool breakage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Finite-Elemente-Raster Finite element grid
11, 11a, 11b, 11c11, 11a, 11b, 11c
Volumenelemente voxels
12a, 12b 12a, 12b
Volumenelementevoxels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 10053299 A1 [0008] DE 10053299 A1 [0008]

Claims (10)

Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils, das in einem Finite-Elemente-Raster (10) modelliert wird, wobei die Form und Topologie des Gussbauteils mithilfe eines Optimierungsverfahrens iterativ in mehreren Optimierungsschritten optimiert wird, wobei in jedem Optimierungsschritt eine Anzahl von virtuellen Volumenelemente (11) in dem Finite-Elemente-Raster (10) entfernt und/oder angelagert wird, wobei während jedes Optimierungsschritts ein Entfernen und/oder Anlagern von Volumenelementen (11) nur zugelassen wird, wenn dadurch eine Neigung eines durch das zu entfernende bzw. das anzulagernde Volumenelement (11) bestimmten Flächenbereichs nicht geringer wird als ein vorgegebener Mindestentformungswinkel zu einer Auszugsrichtung (A).Method for shaping and topology optimization of a cast component, which is in a finite element grid ( 10 ), wherein the shape and topology of the cast component is iteratively optimized in several optimization steps using an optimization method, wherein in each optimization step a number of virtual volume elements ( 11 ) in the finite element grid ( 10 ) is removed and / or deposited, wherein during each optimization step removal and / or attachment of volume elements ( 11 ) is permitted only if it causes an inclination of a volume element to be removed or deposited ( 11 ) is not less than a predetermined minimum draft angle to a pull-out direction (A). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auszugsrichtung (A) angibt, in welche Richtung eine Gussform beim Entformen von dem Gussbauteil abgezogen wird, wenn dieses entsprechend dem Optimierungsverfahren gestaltet wurde.The method of claim 1, wherein the extraction direction (A) indicates in which direction a mold is removed during removal from the cast component, if this was designed according to the optimization method. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Optimierungsverfahren eine Simulation einer oder mehrerer Belastungsgrößen für jedes der im Finite-Elemente-Raster (10) gesetzten Volumenelemente (11) umfasst.The method of claim 1 or 2, wherein the optimization method is a simulation of one or more load sizes for each of the finite element rasters ( 10 ) volume elements ( 11 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Entfernen eines Volumenelementes (11) nur zugelassen wird, wenn dieses sowohl kein in Auszugsrichtung (A) benachbartes Volumenelement (11) aufweist als auch ein benachbartes Volumenelement (11) entgegen der Auszugsrichtung (A) vorhanden ist. Method according to one of claims 1 to 3, wherein a removal of a volume element ( 11 ) is only allowed if this does not have any volume element adjacent in the extension direction (A) ( 11 ) as well as an adjacent volume element ( 11 ) is present against the extension direction (A). Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Volumenelemente (11) schrittweise durch nacheinander erfolgendes Entfernen von jeweils demjenigen der zum Entfernen zugelassenen Volumenelemente (11) entfernt wird, das einen geringsten Anteil der Belastung aufweist. Method according to claim 4, wherein the number of volume elements ( 11 ) gradually by successively removing each of those allowed for removal volume elements ( 11 ), which has a least amount of stress. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Anlagern eines Volumenelementes (11) nur zugelassen wird, wenn dieses in Auszugsrichtung (A) auf ein bestehendes Volumenelement (11) aufsetzbar ist. Method according to one of claims 1 to 5, wherein attaching a volume element ( 11 ) is only permitted if it is in the extension direction (A) on an existing volume element ( 11 ) can be placed. Verfahren nach Anspruch 6, wobei, wenn durch das Anlagern eines Volumenelement (11) eine Neigung eines das anzulagernde Volumenelement (11) umgebenden Flächenbereichs so verändert wird, dass der Entformungswinkel unterschritten wird, quer zur Auszugsrichtung benachbart zu dem anzulagernden Volumenelement (11), ein oder mehrere weitere Volumenelemente (11) angelagert werden, bis der das anzulagernde Volumenelement (11) umgebenden Flächenbereich eine Neigung mit mindestens dem Mindestentformungswinkel zur Auszugsrichtung (A) aufweist.Method according to claim 6, wherein, if by attaching a volume element ( 11 ) an inclination of a volume element to be deposited ( 11 ) surface area is changed so that the Entformungswinkel is exceeded, transverse to the extension direction adjacent to the volume element to be mounted ( 11 ), one or more further volume elements ( 11 ) until the volume element to be attached ( 11 ) surrounding area has an inclination with at least the minimum draft angle to the extension direction (A). Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Entfernen oder Anlagern des Volumenelementes (11) unterbunden wird, wenn sich durch das Entfernen oder Anlagern des einen oder der mehreren Volumenelemente (11) eine Tasche mit einer Taschengröße ausbildet, die einen kleineren Durchmesser bzw. eine kleinere Abmessung quer zur Auszugsrichtung (A) hat als ein vorgegebener Minimalwert.Method according to claim 7, wherein a removal or attachment of the volume element ( 11 ) is prevented when the removal or attachment of the one or more volume elements ( 11 ) forms a pocket having a pocket size having a smaller diameter or a smaller dimension transverse to the extension direction (A) than a predetermined minimum value. Vorrichtung zur Durchführung einer Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils, das in einem Finite-Elemente-Raster (10) modelliert wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um die Form und Topologie des Gussbauteils mithilfe eines Optimierungsverfahrens iterativ in mehreren Optimierungsschritten zu optimieren, wobei in jedem Optimierungsschritt eine Anzahl von virtuellen Volumenelemente (11) in dem Finite-Elemente-Raster (10) entfernt und/oder angelagert wird, und um während jedem Optimierungsschritt ein Entfernen und/oder Anlagern von Volumenelementen (11) nur zuzulassen, wenn dadurch eine Neigung eines durch das zu entfernende bzw. das anzulagernde Volumenelement (11) bestimmten Flächenbereichs nicht geringer wird als ein vorgegebener Mindestentformungswinkel zu einer Auszugsrichtung (A).Device for performing a shape and topology optimization of a cast component, which is in a finite element grid ( 10 ), wherein the device is designed to iteratively optimize the shape and topology of the cast component by means of an optimization method in several optimization steps, wherein in each optimization step a number of virtual volume elements ( 11 ) in the finite element grid ( 10 ) is removed and / or deposited, and during each optimization step removal and / or attachment of volume elements ( 11 ) only if this causes an inclination of a volume element to be removed or to be deposited ( 11 ) is not less than a predetermined minimum draft angle to a pull-out direction (A). Computerprogrammprodukt, das, wenn es auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchführt. A computer program product which, when executed on a data processing device, performs a method according to any one of claims 1 to 8.
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