DE102018214934A1 - Verfahren zur Oberflächenglättung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:- Bereitstellen (10) eines Entwurfs (1), welcher für eine Topologie des Bauteils spezifisch ist, wobei im Entwurf (1) die Topologie durch Elemente (100) definiert wird, welchen jeweils ein Füllgrad (101) für Material des Bauteils zugeordnet ist,- Durchführen einer Simulation (20) einer Beanspruchung des Bauteils anhand des Entwurfs (1), um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu erhalten,- Durchführen einer Modifikation (30) des Entwurfs (1) zur Topologieoptimierung zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses, wobei die Modifikation (30) einen oder mehrere Modifikationsschritte umfasst,- Durchführen einer Glättung (40) als einen der Modifikationsschritte, wobei die Glättung (40) durch eine Veränderung der Füllgrade (101) der Elemente (100) durchgeführt wird,- Durchführen einer erneuten Simulation (20) anhand des modifizierten Entwurfs (1).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenglättung. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein System, ein Computerprogramm sowie ein computerlesbares Medium.
• Für die Entwicklung von mechanischen Bauteilen werden deren Konzepte zunehmend automatisiert innerhalb einer Topologieoptimierung generiert. Hierbei kann der zur Verfügung stehende Bauraum durch ein Finite-Elemente-Netz diskretisiert werden und die Materialverteilung durch Füllgrade der jeweiligen Elemente definiert und modifiziert werden. Durch diese sogenannte Euler'sche Darstellung ist die Bauteiloberfläche nur implizit beschrieben, weshalb deren Eigenschaften innerhalb konventioneller Optimierungsverfahren nicht beachtet werden. Daraus resultierend weisen direkt aus Optimierungsergebnissen der Topologieoptimierung übernommene Oberflächen meist eine hohe Unebenheit auf, wodurch deren Anforderungen hinsichtlich Komplexität und Ästhetik nicht eingehalten werden. Für die weitere Bauteilentwicklung muss daher in einem aufwendigen Prozess auf Grundlage des Optimierungsergebnisses manuell eine neue Oberfläche generiert werden, welche möglichst glatt und einfach ist sowie vorgegebene technische Anforderungen einhält.
• Gattungsgemäße Verfahren zur Glättung sind u. a. aus den Schriften DE 10 2009 010 374 A1 und WO 2007/076357 A2 bekannt.
• Die manuelle Erstellung der Bauteiloberfläche unter Berücksichtigung minimaler Komplexität und Unebenheit ist ein sehr zeitaufwändiger Prozess. Darüber hinaus wird eine Geometrie erstellt, welche vom Optimierungsergebnis der Topologieoptimierung abweicht. Somit müssen in einem iterativen Prozess die Bauteileigenschaften durch Simulationen überprüft und die Geometrie manuell angepasst werden. Dieser Vorgang ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Qualitative Merkmale des Bauteils, wie die mechanischen Eigenschaften und das Gewicht, verschlechtern sich darüber hinaus oftmals zum ursprünglichen Optimierungsergebnis.
• Bei herkömmlichen Verfahren zur automatisierten Oberflächenglättung erfolgt häufig eine Diskretisierung des Bauteils und eine Änderung der Bauteilgestalt durch eine Verzerrung des Netzes. Durch die abweichenden Darstellungsformen sind herkömmliche Glättungsverfahren nicht direkt in Topologieoptimierungsverfahren integrierbar. Zudem haben herkömmliche Verfahren zur Oberflächenglättung häufig den Nachteil, dass diese zu einem Volumenverlust während der Glättung tendieren, was zu einer starken strukturellen Abweichung zu der Ausgangsgeometrie führen kann. Eine Änderung der Topologie der Geometrie ist im Umfang der Glättungsverfahren nicht ohne Weiteres möglich, sodass ungewollte Löcher nicht geschlossen werden können. Darüber hinaus tendieren die Verfahren zu Instabilitäten, da der Glättungsprozess das Finite-Elemente-Netz zunehmend degeneriert und somit zu numerischen Fehlern führen kann.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Glättung bei einer Topologieoptimierung durchzuführen, und/oder die Belastbarkeit und/oder Topologie von Bauteilen für Fahrzeuge zu verbessern.
• Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch ein computerlesbares Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System, dem erfindungsgemäßen Computerprogramm sowie dem erfindungsgemäßen computerlesbaren Medium, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
• Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug.
• Das Fahrzeug ist vorteilhafterweise als ein Kraftfahrzeug und/oder Personenkraftfahrzeug und/oder Elektrofahrzeug und/oder Lastkraftfahrzeug ausgebildet. Das Bauteil ist bspw. ein Radträger, wobei selbstverständlich auch andere Bauteile eines Fahrzeuges in Frage kommen. Es kann sich dabei optional nur um solche Bauteile des Fahrzeuges handeln, welche im Betrieb des Fahrzeuges einer Belastung ausgesetzt sind.
• Es ist insbesondere vorgesehen, dass die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden, vorzugsweise zumindest teilweise automatisiert durch eine elektronische Auswertevorrichtung wie einen Computer, bevorzugt nacheinander in der angegebenen Reihenfolge oder in beliebiger Reihenfolge, wobei einzelne Schritte ggf. auch wiederholt durchgeführt werden können:
• - Bereitstellen eines Entwurfs (z. B. als digitale und/oder nicht-flüchtig gespeicherte Information), welcher für eine Topologie und/oder die Gestalt des Bauteils spezifisch ist und/oder die Gestalt des Bauteils digital repräsentiert, wobei im Entwurf diese Topologie und insbesondere die Gestalt durch Elemente definiert sein kann, welchen jeweils ein Füllgrad für ein Material des Bauteils zugeordnet ist,
• - Durchführen einer Simulation einer (z. B. mechanischen) Beanspruchung des Bauteils anhand des Entwurfs, um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu erhalten,
• - Durchführen einer Modifikation des Entwurfs zur Topologieoptimierung zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses, insbesondere in vollständig automatisierter Weise, wobei die Modifikation einen oder mehrere (zumindest zwei) Modifikationsschritte umfasst,
• - Durchführen einer Glättung als einen der Modifikationsschritte (d. h. auch als der eine Modifikationsschritt, wenn nur einer vorgesehen ist), wobei die Glättung durch eine Veränderung der Füllgrade der Elemente durchgeführt wird,
• - Durchführen einer erneuten Simulation anhand des (durch die Modifikation) modifizierten Entwurfs.
• Auf diese Weise kann eine hinsichtlich der Komplexität und Unebenheit verbesserte Bauteiloberfläche automatisiert generiert werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Glättung innerhalb der Topologieoptimierung (d. h. als einer der Modifikationsschritte) stattfindet und damit in die Topologieoptimierung integriert ist. Damit kann die Glättung als Schritt der Topologieoptimierung ausgeführt sein, und somit auch wie die weiteren Modifikationsschritte (und in Abhängigkeit von den weiteren Modifikationsschritten) der Modifikation wiederholt und/oder iterativ ausgeführt werden. Die Integration wird bevorzugt ermöglicht durch die Verwendung der gleichen Designparameter - den Elementfüllgraden. Diese Füllgrade der Elemente können z. B. als eine digitale Information Teil des Entwurfs sein.
• Als Topologie wird im Rahmen dieser Erfindung im weiteren Sinne auch die Gestalt des Bauteils verstanden.
• Die Modifikation, d. h. zumindest einer der Modifikationsschritte, kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Topologieoptimierung dienen. Möglichkeiten zur Topologieoptimierung sind bspw. aus der Veröffentlichung Sigmund, O. & Maute, K. „Topology optimization approaches“, Struct Multidisc Optim (2013) 48: 1031. (https://doi.org/10.1007/s00158-013-0978-6) bekannt. Darin wird unter anderem der sogenannte „Density Approach“ beschrieben, welcher auch als Methode mit einer Euler'schen Darstellung (oder engl. „Eulerian approach“) bezeichnet werden kann.
• Es sind verschiedene Methoden gemäß der Euler'schen Darstellung zur Topologieoptimierung bekannt. Diese basieren insbesondere darauf, dass ein Optimierungsproblem formuliert wird, bei welchem eine Materialverteilung des Bauteils (innerhalb eines vorgegebenen Volumens) automatisiert gefunden werden soll, die eine Bewertungsfunktion F bzw. Zielfunktion (engl. „objective function“) F minimiert. Die Materialverteilung kann dabei durch einen Füllgrad p(x) (engl. auch oft „density variable“ genannt) für Koordinaten x innerhalb der Designdomäne (Lösungsraum) Ω beschrieben werden. Insbesondere wird nachfolgend die Euler'sche Darstellung zur Charakterisierung des Umstands genannt, dass zur Variation der Materialverteilung der Füllgrad verändert wird (z. B. anstelle einer Knotenposition bspw. eines Finite-Elemente-Modells). In anderen Worten wird zur Topologieoptimierung der Füllgrad verändert, um verschiedene Materialverteilungen zu simulieren.
• Wenn eine Volumenbegrenzung als G₀ ≤ 0 und möglicherweise M weitere Beschränkungen G_i ≤ 0, i=1... M für die Bewertungsfunktion F definiert werden, und zudem ein Zustandsfeld u eingeführt wird, lässt sich das Optimierungsproblem ggf. mathematisch wie folgt formulieren (vgl. vorgenannte Veröffentlichung): $$\begin{array}{c}\underset{\rho }{\text{min}}:F=F\left(\mathbf{u}\left(\rho \right),\rho \right)={\displaystyle {\int }_{\Omega }f\left(\mathbf{u}\left(\rho \right),\rho \right)dV}\\ s.t.:G_0\left(\rho \right)={\displaystyle {\int }_{\Omega }\rho \left(x\right)dV-V_0\le 0}\\ :G_i\left(\mathbf{u}\left(\rho \right),\rho \right)\le \mathrm{0,}j=\mathrm{1,}\dots ,M\end{array}$$

  
• Es ist möglich, insbesondere gemäß der Euler'schen Darstellung bzw. dem „Density Approach“, dass der Füllgrad p(x) neben den Werten 0 und 1 auch weitere Werte zwischen 0 und 1 annehmen kann. Bei anderen Methoden wird ggf. definiert, dass der Füllgrad p(x) nur die Werte 0 und 1 annehmen kann.
• Weitere Einzelheiten zu vorgenannten Methoden werden in „Topology Optimization, Theory, Methods, and Applications“ von Bendsoe und Sigmund, ISBN 978-3-662-05086-6 sowie in der Veröffentlichung „Form- und Topologieoptimierung mittels Evolutionärer Algorithmen und heuristischer Strategien“ von Fiebig, ISBN 978-3832543679 beschrieben. Insbesondere die Ausführungen in letztgenannter Veröffentlichung zum darin beschriebenen „Deltaoptimierer“ betreffen Verfahrensschritte, welche als Modifikationsschritte zur Topologieoptimierung gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein können.
• Die simulierte Beanspruchung, insbesondere Belastung des Bauteils, kann bspw. eine Krafteinwirkung auf das Bauteil und/oder ein Strömungseinfluss am Bauteil und/oder ein Temperatureinfluss am Bauteil und/oder dergleichen sein. Somit kann die Simulation dazu dienen, ein mechanisches Verhalten, vorzugsweise eine mechanische Belastung, des Bauteils (insbesondere numerisch) zu schätzen und/oder eine Strömungssimulation und/oder eine Temperaturbelastung des Bauteils zu ermitteln. Bspw. kann bei der Simulation eine durch die Belastung und/oder Strömung hervorgerufene Beanspruchungsverteilung im Bauraum zumindest als Teil des Simulationsergebnisses ermittelt werden. Auch kann das Simulationsergebnis ggf. das simulierte Strömungsverhalten bereitstellen. Insbesondere dient dabei die Topologieoptimierung dazu, dieses Simulationsergebnis hinsichtlich wenigstens eines Optimierungskriteriums zu optimieren. Das Optimierungskriterium ist z. B. eine Reduzierung von Material des Bauteils und/oder eine Maximierung der Belastungsfähigkeit des Bauteils und/oder eine Vorgabe für das Strömungsverhalten.
• Der Entwurf definiert vorteilhafterweise einen Bauraum für das Bauteil. Damit kann der Entwurf, insbesondere der erste unmodifizierte Entwurf (Startentwurf), als Ausgangspunkt des Verfahrens angesehen werden. Dieser Entwurf kann einen geometrischen Körper definieren, welcher den Raum (Bauraum) darstellt, der für das zu entwickelnde Bauteil maximal zur Verfügung gestellt werden soll. Es kann sich dabei um ein Netz handeln, welches mehrere Elemente umfasst. Der Startentwurf kann an eine bestimmte Methode der Simulation angepasst sein und bspw. aus einem CAD (computer-aided design) Entwurf ermittelt werden.
• Der Entwurf kann mehrere Elemente aufweisen, welche vorteilhafterweise in einem Bauraum für das Bauteil, insbesondere in einem Netz, angeordnet sind. Es kann auch der gesamte Bauraum in Finite-Elemente unterteilt sein. Die Position der Elemente im Bauraum kann sich durch Knoten ergeben, welche den Elementen zugeordnet sind. So kann jedes Element z. B. mindestens vier Knoten aufweisen. Diese einem jeweiligen Element zugeordneten Knoten können anhand der jeweiligen Knotenposition die Erstreckung einer Zelle dieses jeweiligen Elements definieren. Darüber hinaus kann jedem Element bzw. jeder Zelle ein Füllgrad zugeordnet sein. Dieser Elementfüllgrad kann z. B. Werte im Bereich von 0 bis 1 annehmen, und damit einen Grad der Materialfüllung bezeichnen. In anderen Worten kann die Materialdichte und/oder Materialmenge des Bauteils im Bereich des Bauraums, in welchem sich die Zelle eines jeweiligen Elements erstreckt, abhängig (insbesondere proportional) zum Füllgrad dieses Elements sein. Dies hat zur Folge, dass durch eine Anpassung der Elementfüllgrade auch ohne Veränderung der Knotenpositionen eine Topologie des Bauteils im Bauraum verändert werden kann.
• Bevorzugt unterscheidet sich eine Euler'sche Darstellung von einer Lagrang'schen Darstellung dadurch, dass bei der Euler'schen Darstellung die Füllgrade der Elemente verändert werden, und insbesondere bei der Lagrang'schen Darstellung die Knotenpositionen verändert werden, um eine Materialverschiebung (Variation der Materialverteilung) zu erhalten. Diese Materialverschiebung kann dazu dienen, das Optimierungsproblem der Topologieoptimierung zu lösen und/oder eine Glättung durchzuführen. Bevorzugt kommt erfindungsgemäß nur die Euler'sche Darstellung zum Einsatz.
• Vorteilhafterweise ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Glättung in die Topologieoptimierung integriert ist. Durch die Integration in die Topologieoptimierung können insbesondere Randbedingungen, wie die Einhaltung der nötigen Steifigkeit des Bauteils, durch die bereits vorhanden Routinen innerhalb der Topologieoptimierung überprüft werden.
• Für die Glättung der Struktur des Bauteils kann optional in jeder Iteration und/oder bei jeder Wiederholung der Topologieoptimierung die Oberflächenkrümmung (kurz: Krümmung) bestimmt werden. Anhand der Krümmung kann daraufhin eine Umlagerung von Elementfüllgraden induziert werden, welche zu einer Minimierung der Krümmung führt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren erfolgt die Glättung (als Oberflächenglättung) indirekt durch eine Anpassung der Elementfüllgrade und nicht durch eine Verschiebung des Finite-Elemente-Netzes. Dadurch wird es ermöglicht, Anforderungen an die Oberflächenkomplexität bereits in der Topologieoptimierung zu berücksichtigen. Vorteilhafterweise kann neben den gängigen Operatoren des Entfernens und Hinzufügens von Material zum Erreichen eines möglichst leichten Konzeptes die Topologieoptimierung somit erweitert werden durch ein Umlagern von Material zum Erreichen einer möglichst glatten Oberfläche (d. h. zum Glätten).
• Die Glättung kann innerhalb der Topologieoptimierung als letzter Modifikationsschritt der jeweiligen Iteration durchgeführt werden. Alternativ kann die Glättung als erster Modifikationsschritt innerhalb der Topologieoptimierung durchgeführt werden. Die Iteration kann dabei eine wiederholte Durchführung der Modifikation, d. h. sämtlicher Modifikationsschritte, zur Topologieoptimierung betreffen.
• Die Glättung kann als eine Methode der Euler'schen Darstellung ausgeführt sein, und damit z. B. in eine Topologieoptimierung gemäß der Euler'schen Darstellung bzw. gemäß einem Density Approach integriert sein. Die für diese Integration geeignete Glättung kann auch als erfindungsgemäße Euler'sche Glättung bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Glättungsverfahren ist die Euler'sche Glättung somit in die Topologieoptimierung integrierbar. Vorzugsweise können zur Glättung die Elementfüllgrade anstelle der Knotenpositionen geändert werden, sodass die Entstehung von Instabilitäten vermieden wird. Auch kann durch die direkte Modifikation der Massenverteilung (mittels der Veränderung der Füllgrade) kein ungewollter Volumenverlust während der Glättung verursacht werden. Eine Änderung der Topologie und damit das Schließen von kleinen Löchern ist durch die Euler'sche Darstellung ohne Weiteres möglich. Randbedingungen wie der zulässige Bauraum oder das Erhalten von unveränderbaren Bereichen können insbesondere durch die gleichen Maßnahmen sichergestellt werden wie in der Topologieoptimierung.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass den Elementen jeweils wenigstens ein oder wenigstens drei Knoten oder genau vier Knoten (im zweidimensionalen Fall) und/oder wenigstens 4 Knoten oder genau acht Knoten (im dreidimensionalen Fall) zugeordnet sind, um die Position der Elemente anhand der Knotenpositionen im Entwurf zu definieren, wobei vorzugsweise die Glättung gemäß einer Euler'schen Darstellung erfolgt, sodass die Knotenpositionen zur Glättung unverändert gelassen werden können. In anderen Worten kann die Veränderung der Knotenpositionen nicht notwendig sein, um die Glättung durchzuführen. Daher kann (selbst wenn Knotenpositionen verändert werden) die Veränderung der Füllgrade die Glättung überwiegend bewirken. Auch ist es denkbar, dass auf eine Veränderung der Knotenpositionen im Rahmen der Modifikation und/oder Glättung vollständig verzichtet wird. Damit kann der Vorteil erzielt werden, dass eine Beeinträchtigung der Topologieoptimierung durch den Glättungsprozess zumindest reduziert wird.
• Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Modifikation und die erneute Simulation anhand dieser Modifikation iterativ durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium vorliegt, um den dadurch mehrfach modifizierten Entwurf als Ergebnis zur Erzeugung des Bauteils bereitzustellen. Bspw. kann das Ergebnis oder ein darauf basierendes Ergebnis über eine Schnittstelle an eine Maschine zur Fertigung des Bauteils übergeben werden. Anschließend kann das Bauteil anhand des Ergebnisses zumindest teilweise automatisiert hergestellt werden. Das Abbruchkriterium ist vorzugsweise ein Erreichen einer Maximalanzahl der Wiederholungen (Iterationen) der erneuten Simulation und/oder der Modifikation und/oder ein Erreichen von Zielvorgaben bei dem Simulationsergebnis. So kann das Vorliegen des Abbruchkriteriums z. B. dadurch geprüft werden, dass das Simulationsergebnis mit den Zielvorgaben (wie Anforderungen an das Bauteil) verglichen wird. Das Simulationsergebnis betrifft dabei bspw. eine Belastung und/oder mechanische Spannungen am Bauteil und/oder eine Verformung. Die Zielvorgabe kann ein Höchstmaß der Belastung des Bauteils und/oder mechanischen Spannung und/oder Verformung betreffen. Auf diese Weise kann das Vorliegen einer optimalen Bauteiltopologie zuverlässig erkannt werden.
• Optional kann es vorgesehen sein, dass bei der Glättung die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:
• - Ermitteln einer Oberflächenkrümmung bei dem Entwurf, vorzugsweise bei wenigstens einer oder jeder Oberfläche des Bauteils,
• - Umlagerung der Füllgrade zumindest von benachbarten Elementen der Elemente in Abhängigkeit von der ermittelten Oberflächenkrümmung, insbesondere zum Verschieben von Material des Bauteils, um eine Glättung an der Oberfläche zu bewirken.
• Die Oberfläche des Bauteils kann bevorzugt dadurch ermittelt werden, dass die Oberfläche durch solche Elemente läuft, deren Füllgrad größer 0 ist und die wenigstens ein benachbartes Element mit einem Füllgrad gleich (oder entsprechend) 0 aufweisen. „0“ steht hierbei für einen freien Raum im Entwurf. Dabei können bei der Ermittlung des freien Raums auch Schwellenwerte oder eine Bildverarbeitung oder dergleichen zum Einsatz kommen, um geringfügige Abweichungen von 0 ebenfalls als freien Raum zu berücksichtigen. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Oberflächenkrümmung ist die Berechnung von Normalenvektoren bei zumindest einem oder jedem Knoten eines jeweiligen Elements (z. B. jedes Elements des gesamten Bauraums oder nur der Oberfläche). Hierfür werden die anliegenden Elemente dieses Elements und deren Füllgrade ausgewertet. Nach entsprechender Auswertung der Elemente ergibt sich ein Normalenvektorfeld. Anschließend kann die Divergenz des hierdurch bestimmten Normalenvektorfeldes bestimmt werden, um die Krümmung zu ermitteln. Das Normalenvektorfeld bzw. die einzelnen Normalenvektoren können die Richtung vorgeben, in welcher ein Verschieben des Materials des Bauteils zur Glättung erfolgt. Die Oberflächenkrümmung bzw. die Divergenz kann das Ausmaß vorgeben, mit welcher das Verschieben des Materials zur Glättung erfolgt. Diese Informationen bilden somit ein Verschiebungsfeld. Das Verschieben des Materials kann durch das Umlagern der Füllgrade entsprechend dem Verschiebungsfeld erfolgen. Je größer das vorgegebene Ausmaß, desto mehr wird der Füllgrad für ein Element um einen Anteil reduziert und dieser Anteil an das in der vorgegebenen Richtung benachbarte Element weitergegeben. Auf diese Weise kann das Umlagern der Füllgrade durch das Verschiebungsfeld erfolgen, um eine glatte Struktur zu erhalten. Gemäß der Euler'schen Darstellung kann dabei der Vorteil erzielt werden, dass das Glätten durch eine Veränderung der Füllgrade als Dichtewerte und nicht anhand der Knotenpositionen erfolgen kann. Eine Neuvernetzung des Bauraums ist somit nicht erforderlich, und das Volumen kann konstant bleiben. Es kann anschließend eine Prüfung vorgesehen sein, ob die Glättung bereits einer Vorgabe entspricht. Wenn das Ausmaß der Glättung nicht ausreichend ist, kann dieser Modifikationsschritt des Glättens wiederholt werden. Somit kann das Glätten iterativ innerhalb einer Iteration der Modifikation durchgeführt werden.
• Ferner ist es denkbar, dass als wenigstens ein weiterer Modifikationsschritt ein Anlagern und Entfernen von Material im Entwurf durch eine Veränderung der Füllgrade in Abhängigkeit von dem Simulationsergebnis durchgeführt wird. Das Anlagern und Entfernen von Material des Bauteils innerhalb des Bauraums kann dabei auf Basis des Simulationsergebnisses, insbesondere auf Basis der Auswirkung der Beanspruchung, vorzugsweise auf Basis von Spannungswerten erfolgen. Die Auswertung des Simulationsergebnisses kann bestimmen, wo Veränderungen der Topologie bzw. Struktur des Bauteils vorgenommen werden. Beispielhaft wird dieses Vorgehen nachfolgend beschrieben. Die Simulation kann Spannungswerte bestimmen, insbesondere bei jedem der Elemente des Entwurfs, welche beim Bauteil als Auswirkung der Beanspruchung auftreten. Die Beanspruchung ist dabei z. B. eine Krafteinwirkung auf das Bauteil. Anschließend können die Elemente in Abhängigkeit von der Auswirkung, z. B. von den Spannungswerten sortiert werden. Die Elemente können bevorzugt von den niedrigsten Spannungswerten ausgehend aufsteigend sortiert werden. Eine Schrittweitensteuerung kann festlegen, wie viele Elemente entfernt oder ergänzt werden können. Diese Schrittweitensteuerung kann für jede Iteration der Modifikation durchgeführt werden und abhängig sein von der Anzahl vorangegangener und/oder geplanter Iterationen. Anhand der Spannungswerte kann z. B. analysiert werden, ob das Bauteil den aufgebrachten Lasten gerecht wird. Davon abhängig kann Material hinzugefügt oder entfernt werden. Die am niedrigsten belasteten Elemente können z. B. gelöscht werden oder die zugehörigen Füllgrade auf 0 reduziert werden. Die Elemente mit den höchsten Spannungen können hingegen unverändert gelassen werden und/oder der Füllgrad für dieses und/oder benachbarte Elemente erhöht werden. Auf diese Weise kann eine Annäherung an eine ideale Lösung für das Optimierungsproblem im Laufe der Iterationen gefunden werden (d. h. das Optimierungsproblem gelöst werden).
• Es kann auch möglich sein, dass das Glätten als alleiniger und/oder alleinstehender Modifikationsschritt der Modifikation vorgesehen ist, sodass hierbei kein weiterer Modifikationsschritt erfolgt.
• Außerdem kann es im Rahmen der Erfindung von Vorteil sein, dass die Glättung unabhängig von dem Simulationsergebnis durchgeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Glättung (als ein für die Modifikation im Rahmen der Topologieoptimierung eigentlich untypischer Schritt) zur Optimierung der Oberflächenstruktur nur von dem Entwurf bzw. der aktuell in der Iteration vorliegenden Topologie abhängig ist.
• Auch ist es optional möglich, dass die Glättung abhängig von dem Simulationsergebnis durchgeführt wird. In diesem Fall kann die Glättung als adaptive Glättung durchgeführt werden, bei welcher die Simulationsergebnisse beachtet werden. Bspw. wird die Glättung an hochbelasteten Bereichen des Bauteils nur im reduzierten Umfang durchgeführt.
• Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Entwurf als ein Finite-Elemente-Netz ausgeführt ist und insbesondere die Simulation als Finite-Elemente-Simulation ausgeführt ist. Neben der Ausführung als Finite-Elemente-Methode ist es auch denkbar, dass andere Simulationsmethoden für die Simulation zum Einsatz kommen. So kann die Simulation alternativ bspw. als CFD (Computational Fluid Dynamics) oder Finite-Punkte-Methode oder Finite-Volumen-Methode ausgeführt sein
• Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein System zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere ein Bauteil für ein Fahrzeug, umfassend eine Auswertevorrichtung (vorzugsweise einen Computer), welche dazu ausgeführt ist, die Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. insbesondere die nachfolgenden Schritte auszuführen:
• - Bereitstellen eines Entwurfs, welcher für eine Topologie des Bauteils spezifisch ist, wobei im Entwurf die Topologie durch Elemente definiert wird, welchen jeweils ein Füllgrad für Material des Bauteils zugeordnet ist,
• - Durchführen einer Simulation einer Beanspruchung des Bauteils anhand des Entwurfs, um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu erhalten,
• - Durchführen einer Modifikation des Entwurfs zur Topologieoptimierung zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses, wobei die Modifikation einen oder mehrere Modifikationsschritte umfasst,
• - Durchführen einer Glättung als einen der Modifikationsschritte (d. h. auch als der eine Modifikationsschritt), wobei die Glättung durch eine Veränderung der Füllgrade der Elemente durchgeführt wird,
• - Durchführen einer erneuten Simulation anhand des modifizierten Entwurfs.
• Damit bringt das erfindungsgemäße System die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.
• Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Computerprogramm, insbesondere Computerprogrammprodukt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Computerprogramm Befehle aufweist, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Damit bringt das erfindungsgemäße Computerprogramm die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Das Computerprogramm kann z. B. nicht-flüchtig auf einem Datenträger oder als herunterladbares Programm ausgeführt sein.
• Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein computerlesbares Medium, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist. Damit bringt das erfindungsgemäße computerlesbare Medium die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind. Zudem kann das computerlesbare Medium geeignet sein, das Computerprogramm nicht-flüchtig zu speichern. Hierzu kann das computerlesbare Medium als eine Festplatte oder ein Flash-Speicher oder als Datenträger wie eine CD oder DVD oder dergleichen ausgeführt sein.
• Die Auswertevorrichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als ein Prozessor oder als ein Computer mit einem Prozessor ausgebildet sein. Dabei kann der Computer einen Datenspeicher aufweisen, in welchem ein (insbesondere erfindungsgemäßes) Computerprogramm nicht-flüchtig gespeichert ist. Ein erfindungsgemäßes computerlesbares Medium kann als ein solcher nicht-flüchtiger Datenspeicher ausgebildet sein. Zur Ausführung der Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann es möglich sein, dass der Prozessor das Computerprogramm aus dem Datenspeicher ausliest und anschließend ausführt. Es kann zudem bei dem Computer wenigstens eine Schnittstelle vorgesehen sein, um den (Start-) Entwurf einzulesen und/oder das Ergebnis jeweils in digitaler Form auszugeben.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eines erfindungsgemäßen Systems,
• 2 eine schematische Darstellung zur Visualisierung einer Glättung mit weiteren Einzelheiten,
• 3 schematische Darstellung zur Visualisierung eines Elements.
• In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
• 1 visualisiert schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere ein Bauteil für ein Fahrzeug. Hierzu kann gemäß einem ersten Verfahrensschritt ein Bereitstellen 10 eines Startentwurfs als initialer Entwurf 1 durchgeführt werden. Dieser Entwurf kann das Bauteil in digitaler Form repräsentieren, z. B. in einem Bauraum, und ist somit für eine Topologie des Bauteils spezifisch. Konkret kann hierzu im Entwurf 1 die Topologie des Bauteils durch Elemente 100 definiert werden, welchen jeweils im Sinne einer digitalen (ggf. nicht-flüchtigen) Information ein Füllgrad 101 für Material des Bauteils zugeordnet ist. Insbesondere kann der Füllgrad 101 für die Menge an Material des Bauteils im Bereich des Elements spezifisch sein. Darüber hinaus kann dem Element 100 auch wenigstens ein Knoten 102 zugeordnet sein, wie in 3 schematisch dargestellt ist. Anhand des wenigstens einen Knotens 102 kann insbesondere die Position des Elements im Entwurf bzw. Bauraum ggf. unveränderbar festgelegt sein.
• Anschließend kann gemäß einem zweiten Verfahrensschritt eine Simulation 20 durchgeführt werden. Es kann sich dabei um eine Simulation 20 einer Beanspruchung des Bauteils handeln, welche den Entwurf 1 nutzt, um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu generieren. Eine solche Beanspruchung sind bspw. Krafteinwirkungen, und die Auswirkung sind z. B. Spannungen am Bauteil.
• Als einen dritten Verfahrensschritt kann ein Durchführen einer Modifikation 30 des Entwurfs 1 zur Topologieoptimierung vorgesehen sein, wobei die Modifikation 30 zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses durchgeführt wird. Die Modifikation 30 kann einen oder mehrere Modifikationsschritte umfassen. Als einer der Modifikationsschritte wird eine Glättung 40 durchgeführt, wobei die Glättung 40 durch eine Veränderung der Füllgrade 101 der Elemente 100 bewirkt wird. Der wenigstens eine weitere Modifikationsschritt kann den Entwurf 1 zur Topologieoptimierung verändern.
• Anschließend kann eine erneute Simulation 20 anhand des durch die Modifikation 30 modifizierten Entwurfs 1 (inklusive der Modifikation durch die Glättung) erfolgen, wobei die vorgenannten Schritte (mit Ausnahme des Bereitstellens 10 des initialen Entwurfs 1) auch mehrfach wiederholt werden können. Die wiederholte Durchführung kann bspw. erst dann gestoppt werden, wenn bei einer Abbruchprüfung 25 das Vorliegen eines Abbruchkriteriums erkannt wird. Dies ist bspw. eine ausreichende Optimierung des Bauteils. Gemäß einem ersten Pfeil von der Abbruchprüfung 25 zu einem Ergebnis 80 wird in 1 der Abbruch visualisiert, bei welchem der zuletzt modifizierte Entwurf 1 zur Bauteilerzeugung ausgegeben werden kann.
• Gemäß einem zweiten Pfeil von der Abbruchprüfung 25 zu einer Berechnung der Schrittweite 26 wird die erneute Durchführung der Modifikation 30 visualisiert. Die Schrittweite 26 gibt dabei z. B. die Anzahl der Elemente 100 an, welche im Rahmen der Modifikation 30 modifiziert werden können. Die Anzahl kann mit zunehmender Annäherung an das Abbruchkriterium erhöht werden. Anschließend kann ein Anlagern 31 und/oder Entfernen 32 von Material im Entwurf 1 erfolgen und somit einen modifizierten Entwurf 1 bewirken. Zudem ist optional die Anwendung einer Heuristik 33 denkbar, bei welcher z. B. nicht mit anderen Elementen 100 verbundene Elemente 100 gelöscht werden. Auch können ggf. weitere Vorgaben und Randbedingungen für das Bauteil innerhalb der Modifikation 30 Berücksichtigung finden. Dies kann z. B. eine Verhinderung der Veränderung von Elementen 100 sein, welche (z. B. manuell bestimmt und/oder gemäß einer Vorgabe) unverändert bleiben müssen. Die Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens können bspw. durch eine Auswertevorrichtung 5 durchgeführt werden.
• In 2 ist die Glättung 40 als Modifikationsschritt mit weiteren Einzelheiten gezeigt. Dabei kann zunächst ein Ermitteln einer Oberflächenkrümmung 41 bei dem Entwurf 1 erfolgen, vorzugsweise bei wenigstens einer oder jeder Oberfläche des Bauteils im Entwurf 1. Anschließend kann eine Bestimmung eines Verschiebungsfeldes 42 durchgeführt werden. Darauf basieren kann anschließend eine Umlagerung 43 der Füllgrade 101 zumindest von benachbarten Elementen 100 der Elemente 100 in Abhängigkeit von der ermittelten Oberflächenkrümmung und insbesondere von dem Verschiebungsfeld 42 erfolgen.
• Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Entwurf

5

Auswertevorrichtung

10

Bereitstellen

20

Simulation

25

Abbruchprüfung

26

Schrittweite berechnen

30

Modifikation

31

Anlagern

32

Entfernen

33

Heuristik

40

Glättung

41

Berechnen der Oberflächenkrümmung

42

Bestimmung des Verschiebungsfeldes

43

Umlagern der Füllgrade

80

Ergebnis

100

Elemente

101

Füllgrad

102

Knoten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102009010374 A1 [0003]
• WO 2007/076357 A2 [0003]

Claims (10)

1. Verfahren zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, wobei die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: - Bereitstellen (10) eines Entwurfs (1), welcher für eine Topologie des Bauteils spezifisch ist, wobei im Entwurf (1) die Topologie durch Elemente (100) definiert wird, welchen jeweils ein Füllgrad (101) für Material des Bauteils zugeordnet ist, - Durchführen einer Simulation (20) einer Beanspruchung des Bauteils anhand des Entwurfs (1), um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu erhalten, - Durchführen einer Modifikation (30) des Entwurfs (1) zur Topologieoptimierung zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses, wobei die Modifikation (30) einen oder mehrere Modifikationsschritte umfasst, - Durchführen einer Glättung (40) als einen der Modifikationsschritte, wobei die Glättung (40) durch eine Veränderung der Füllgrade (101) der Elemente (100) durchgeführt wird, - Durchführen einer erneuten Simulation (20) anhand des modifizierten Entwurfs (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Elementen (100) jeweils wenigstens drei Knoten (102) oder genau vier Knoten (102) zugeordnet sind, um die Position der Elemente (100) anhand der Knotenpositionen im Entwurf (1) zu definieren, wobei die Glättung (40) gemäß einer Euler'schen Darstellung erfolgt, sodass die Knotenpositionen zur Glättung (40) unverändert gelassen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation (30) und die erneute Simulation (20) anhand dieser Modifikation (30) iterativ durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium vorliegt, um den dadurch mehrfach modifizierten Entwurf (1) als Ergebnis (80) zur Erzeugung des Bauteils bereitzustellen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Glättung (40) die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: - Ermitteln einer Oberflächenkrümmung bei dem Entwurf (1), vorzugsweise bei wenigstens einer oder jeder Oberfläche des Bauteils, - Umlagerung der Füllgrade (101) zumindest von benachbarten Elementen (100) der Elemente (100) in Abhängigkeit von der ermittelten Oberflächenkrümmung.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als wenigstens ein weiterer Modifikationsschritt ein Anlagern und Entfernen von Material im Entwurf (1) durch eine Veränderung der Füllgrade (101) in Abhängigkeit von dem Simulationsergebnis durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättung (40) unabhängig von dem Simulationsergebnis oder adaptiv anhand des Simulationsergebnisses durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Entwurf (1) als ein Finite-Elemente-Netz ausgeführt ist und insbesondere die Simulation (20) als Finite-Elemente-Simulation oder Finite-Volumen-Methode ausgeführt ist.
8. System zur Oberflächenglättung bei einem Bauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend eine Auswertevorrichtung (5), welche dazu ausgeführt ist, die nachfolgenden Schritte auszuführen: - Bereitstellen (10) eines Entwurfs (1), welcher für eine Topologie des Bauteils spezifisch ist, wobei im Entwurf (1) die Topologie durch Elemente (100) definiert wird, welchen jeweils ein Füllgrad (101) für Material des Bauteils zugeordnet ist, - Durchführen einer Simulation (20) einer Beanspruchung des Bauteils anhand des Entwurfs (1), um ein Simulationsergebnis über eine Auswirkung dieser Beanspruchung auf das Bauteil zu erhalten, - Durchführen einer Modifikation (30) des Entwurfs (1) zur Topologieoptimierung zumindest teilweise anhand des Simulationsergebnisses, wobei die Modifikation (30) einen oder mehrere Modifikationsschritte umfasst, - Durchführen einer Glättung (40) als einen der Modifikationsschritte, wobei die Glättung (40) durch eine Veränderung der Füllgrade (101) der Elemente (100) durchgeführt wird, - Durchführen einer erneuten Simulation (20) anhand des modifizierten Entwurfs (1).
9. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.

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