DE102020131497A1

DE102020131497A1 - Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils, elektronische Recheneinrichtung, Computerprogrammprodukt und computerlesbares Medium

Info

Publication number: DE102020131497A1
Application number: DE102020131497.3A
Authority: DE
Inventors: Lin Moellenhoff; Moustafa Alsayed Ahmad; Johannes Staeves; Majid Hojjat
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils. Mittels einer elektronischen Recheneinrichtung wird eine Topologiesegmentierung durchgeführt, bei welcher von einer aus einer Topologieoptimierung resultierenden und durch diskretisierte Flächen definierten, ersten Geometrie (2) eine Topologie (4) abgeleitet wird (Schritt S1). Mittels der Recheneinrichtung wird eine Oberflächensegmentierung durchgeführt, bei welcher auf Basis der abgeleiteten Topologie (4) miteinander verbundene Flächenelemente definiert werden, die eine zweite Geometrie (5) beschreiben (Schritt S2). Mittels der elektronischen Recheneinrichtung wird eine Konvexitätssegmentierung durchgeführt, bei welcher diejenigen der die zweite Geometrie (5) beschreibenden Flächenelemente, die einen Konvexitätssprung aufweisen, in wenigstens zwei weitere Flächenelemente aufgeteilt werden, welche frei von Konvexitätssprüngen sind (Schritt S3). Hierdurch wird aus der zweiten Geometrie (5) eine dritte Geometrie (6) erzeugt wird. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung wird eine Parametrisierung durchgeführt, durch welche die zunächst durch die Flächenelemente beschriebene, dritte Geometrie (6) in eine durch parametrische Flächen definierte Geometrie (7) des Bauteils überführt wird (Schritt S4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektronische Recheneinrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Medium.
Die DE 697 33 014 T2 offenbart eine Vorrichtung zur Gewinnung von Positionsdaten für Oberflächenpunkte auf einem dreidimensionalen Objekt. Der DE 10 2007 030 960 A1 ist ein Verfahren zur Darstellung von 3D- Strukturen in 2D-Projektionsbildern als bekannt zu entnehmen. Des Weiteren ist der EP 2 251 805 A2 ein Verfahren zum Erhalten eines optimalen Entwurfs eines Konstruktionsprodukts in einer Topologieoptimierung als bekannt zu entnehmen. Die WO 2015/106021 A1 offenbart ein Verfahren zur strukturerhaltenden Topologieoptimierung von Gitterstrukturen für die additive Fertigung. Darüber hinaus ist aus der DE 10 2015 214 750 A1 ein Verfahren zur Form- und Topologieoptimierung eines Gussbauteils bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, eine elektronische Recheneinrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein computerlesbares Medium zu schaffen, sodass Bauteile, insbesondere für Fahrzeuge, besonders vorteilhaft konstruiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine elektronische Recheneinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 sowie durch ein computerlesbares Medium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung lassen sich den übrigen Ansprüchen entnehmen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils, insbesondere für ein Fahrzeug. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, können mittels des Verfahrens Daten, insbesondere aufgrund von Topologieoptimierungsergebnissen, erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden, wobei diese erzeugten beziehungsweise bereitgestellten Daten in einem insbesondere als CAD-Computerprogramm (CAD - computer aided design - rechnerunterstütztes Konstruieren) ausgebildeten und auch einfach als Programm oder Softwareprogramm bezeichneten Computerprogramm verwendet werden können, um beispielsweise das Bauteil weiter zu konstruieren. Werden die Daten in einem CAD-Programm verwendet, so werden die Daten auch als CAD-Daten bezeichnet.
Bei einem ersten Schritt des Verfahrens wird mittels einer elektronischen Recheneinrichtung eine Topologiesegmentierung durchgeführt, bei welcher mittels der elektronischen Recheneinrichtung von einer aus einer Topologieoptimierung resultierenden und durch diskretisierte Flächen definierten, ersten Geometrie eine Topologie abgeleitet wird. Unter der durch die diskretisierten Flächen definierten, ersten Geometrie ist Geometrie zu verstehen, die durch diskretisierte Flächedefinitionen, mithin durch diskretisierte beziehungsweise diskretisiert beschriebene Flächen beschrieben, das heißt definiert wird. Unter dem Merkmal, dass von der durch die diskretisierten Flächen definierten, ersten Geometrie die genannte Topologie abgeleitet wird, ist insbesondere zu verstehen, dass die Topologie anhand der durch die diskretisierten Flächen definierten Geometrie erkannt beziehungsweise ermittelt wird. Insbesondere ist unter der Topologie eine insbesondere mathematische Struktur zu verstehen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt stellt die Topologieoptimierung ein Ergebnis bereit, wobei das Ergebnis der Topologieoptimierung die zuvor genannten Topologieoptimierungsergebnisse ist. Von diesen Topologieoptimierungsergebnissen wird die Topologie abgeleitet. Die erste Geometrie wird durch die diskretisierten Flächen beispielsweise derart definiert oder beschrieben, dass die erste Geometrie durch Knotenpunkte beschrieben wird, die über insbesondere planare Flächen oder Flächensegmente miteinander verbunden sind, wobei die Flächensegmente beispielsweise dreieckig oder viereckig sind. Der erste Schritt des Verfahrens wird auch mit a) bezeichnet. Beispielsweise wird die durch die diskretisierten Flächen definierte Geometrie durch eine aus als Mesh oder Gitter bezeichnetes Netz beschrieben beziehungsweise die diskretisierten und insbesondere miteinander verbundenen Flächen bilden ein auch als Mesh oder Gitter oder Gitternetz bezeichnetes Netz, wie es beispielsweise in Finite-Element-Methoden (FEM) zum Einsatz kommt oder kommen könnte.
Bei einem auch mit b) bezeichneten, zweiten Schritt des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Oberflächensegmentierung durchgeführt, bei welcher auf Basis der in dem ersten Schritt abgeleiteten und somit erkannten beziehungsweise ermittelten Topologie miteinander verbundene Flächenelemente definiert werden, die eine zweite Geometrie beschreiben. Beispielsweise beschreiben die diskretisierten Flächen eine erste Struktur beziehungsweise die durch die diskretisierten Flächen definierte, erste Geometrie ist oder beschreibt eine erste Struktur, wobei die bei dem zweiten Schritt definierten Flächenelemente eine zweite Struktur beschreiben oder definieren, oder die zweite Geometrie ist oder beschreibt eine zweite Struktur. Das jeweilige Flächenelement verbindet beispielsweise wenigstens zwei Punkte miteinander, wobei beispielsweise die Flächenelemente untereinander an jeweiligen Punkten miteinander verbunden sind, insbesondere derart, dass die Flächenelemente beispielsweise ein zweites, auch als Mesh oder Gitter bezeichnetes Netz definieren beziehungsweise beschreiben. Vereinfacht ausgedrückt weist die bei dem ersten Schritt ermittelte Topologie beispielsweise eine grobe Form auf, aus welcher dann bei dem zweiten Schritt konkretere beziehungsweise genauer definierte Flächen in Form der Flächenelemente erzeugt werden.
Bei einem auch mit c) bezeichneten dritten Schritt des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Konvexitätssegmentierung durchgeführt. Bei der Konvexitätssegmentierung werden diejenigen der die zweite Geometrie beschreibenden Flächenelemente, die einen Konvexitätssprung aufweisen, in wenigstens zwei weitere Flächenelemente aufgeteilt, welche frei von Konvexitätssprüngen sind. Mit anderen Worten, bei dem dritten Schritt des Verfahrens werden beispielsweise diejenigen der in dem zweiten Schritt definierten Flächenelemente identifiziert, die einen Konvexitätssprung aufweisen und somit beispielsweise in einem ersten Bereich konvex und in einem zweiten Bereich konkav gewölbt sind. Das jeweilige, identifizierte Flächenelement wird in zwei, insbesondere weitere beziehungsweise neue, Flächenelemente unterteilt, insbesondere derart, dass die zuvor genannten Bereiche voneinander getrennt werden, derart, dass das jeweilige, neue Flächenelement an sich keinen Konvexitätssprung aufweist und somit beispielsweise entweder nur konkav oder nur konvex gewölbt ist. Hierdurch werden die Flächenelemente, die ursprünglich einen Konvexitätssprung aufweisen, in ihrer Ordnung verringert, das heißt vereinfacht. Ein Ergebnis des dritten Schritts ist eine dritte Geometrie, die beispielsweise eine dritte Struktur ist oder beschreibt, wobei die dritte Geometrie aus der zweiten Geometrie erzeugt wird, mithin durch die aus Schritt b) und Schritt c) resultierenden Flächenelemente und somit auch durch die aufgeteilten Flächenelemente definiert beziehungsweise beschrieben wird.
Bei einem auch mit d) bezeichneten, vierten Schritt des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Parametrisierung durchgeführt. Durch die Parametrisierung wird die zunächst durch die Flächenelemente beschriebene, dritte Geometrie, mithin die dritte Struktur in eine durch parametrische Flächen definierte, insbesondere vierte, Geometrie des Bauteils überführt. Mit anderen Worten, die erste, zweite beziehungsweise dritte Struktur wird jeweils durch diskretisierte Flächen definiert beziehungsweise beschrieben. Somit wird beispielsweise die erste, zweite beziehungsweise dritte Struktur durch ein auch als Mesh oder Gitter bezeichnetes Netz beschrieben. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt, ein Ergebnis des ersten, zweiten beziehungsweise dritten Schritts des Verfahrens kann ein jeweiliges, auch als Mesh oder Gitter bezeichnetes Netz sein, welches diskretisierte Flächen umfasst beziehungsweise durch diskretisierte Flächen gebildet ist, die insbesondere an jeweiligen, auch als Knotenpunkten bezeichneten Punkten miteinander verbunden sind.
Bei dem vierten Schritt des Verfahrens werden die zunächst diskretisierten Flächen parametrisiert, sodass die zunächst diskretisierten Flächen, das heißt die durch die diskretisierten Flächen beziehungsweise durch die Flächenelemente beschriebene oder definierte dritte Geometrie beziehungsweise dritte Struktur in eine durch parametrische Flächen definierte, vierte Geometrie des Bauteils überführt wird. Die durch parametrische Flächen definierte, vierte Geometrie wird somit nicht mittels diskretisierter Flächen, sondern in Parameterdarstellung beschrieben oder definiert. Ein Ergebnis des vierten Schritts ist somit beispielsweise die vierte Geometrie beziehungsweise eine vierte Struktur, die nicht durch diskretisierte Flächen, sondern durch parametrische Flächen, das heißt durch parametrische Flächendefinitionen definiert wird. Somit werden beispielsweise aus dem dritten Schritt resultierende, diskretisierte Flächendefinitionen bei dem vierten Schritt des Verfahrens in parametrische Flächendefinitionen umgewandelt oder überführt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein vorzugsweise computergestütztes, das heißt durch eine auch als Computer bezeichnete, elektronische Recheneinrichtung ausführbares Verfahren, welches automatisch und somit ohne Zutun oder Eingreifen einer Person die diskretisierten Flächendefinitionen aus dem dritten Schritt des Verfahrens in parametrische Flächendefinitionen umwandelt. Die parametrischen Flächendefinitionen, das heißt die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie können beziehungsweise kann die zuvor genannte Daten umfassen beziehungsweise durch die zuvor genannten Daten (CAD-Daten) definiert beziehungsweise beschrieben sein, sodass dann beispielsweise die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie des Bauteils einem CAD-Programm zugeführt und in dem CAD-Programm verwendet werden kann, um beispielsweise mittels des CAD-Programms weiter konstruiert, insbesondere weiter geformt und/oder umgeformt, werden zu können.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Üblicherweise ist es wünschenswert, Ergebnisse aus Topologieoptimierungen als Inspiration für eine CAD-Konstruktion von Bauteilen zu nutzen. Es existieren kommerzielle Softwareprogramme, die teilautomatisierte, auch als Workflows bezeichnete Arbeitsabläufe anbieten, die es ermöglichen, mehr oder weniger intuitiv parametrische Flächen zu erzeugen. Ein computergestütztes Verfahren, welches ohne das Eingreifen einer Person diskretisierte Flächendefinitionen in parametrische Flächendefinitionen umwandelt, existiert herkömmlicherweise nicht. Dabei nutzen herkömmliche Verfahren primitive Geometrien wie Kugeln, Würfel oder Zylinder, um ein aus einer Topologieoptimierung resultierendes und auch als Gitternetz bezeichnetes Netz (Mesh) zu approximieren. Problematisch hierbei ist, dass diese Approximation nur auf Geometrien anwendbar ist, die eine röhrenförmige Struktur aufweisen. Verfahren aus dem Stand der Technik nutzen üblicherweise eine krümmungsbasierte Methode, um geometrische Merkmale zu identifizieren, wie zum Beispiel ebene Bereiche, Radieneilaufkurven, einfachgekrümmte Flächen und so weiter. Auf diese Weise kann ein Anwender daraus resultierende Ergebnisse miteinander Verschneiden. Eine weitere, übliche Methode ist, mit Hilfe eines so genannten „Fittings“ einen maximalen Abstand zwischen einer parametrischen Fläche und Knotenpunkten einer diskreten Geometrie durch Optimierung der Flächenparameter einzuhalten. Ferner ist es bekannt, eine diskrete Oberfläche in ein Netz aus viereckigen Elementen umzuwandeln. Daraus resultiert ein neues Netz, welches durch Kopplung benachbarter viereckiger Elemente vergröbert wird. Dies ist eine Basis für eine darauffolgende „Fitting“-Operation.
Die herkömmlichen Methoden haben unterschiedliche Automatisierungsgrade. Krümmungsbasierte Verfahren sind für automatische Ansätze nicht robust genug. Eine hieraus resultierende CAD-Geometrie entspricht nicht immer vorgebbaren oder vorgegebenen Qualitätsansprüchen. Außerdem sind herkömmliche Lösungen von kommerziell verfügbaren Softwareprogrammen nicht auf Ergebnisse von Topologieoptimierungen zugeschnitten, im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren. Herkömmliche Methoden wurden entwickelt, um eine Geometrie, welche beispielsweise ein Topologie und eine Form eines Bauteils beschreibt, möglichst genau abzubilden. Eine Methode, welche aufgrund einer diskretisierten Geometrie eine einfache parametrische Geometrie erzeugt, welche der Topologie folgt, ohne die Form genau zu beschreiben, existiert bislang jedoch nicht. Dies ist nun durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, welches es insbesondere automatisch ermöglicht, ausgehend von Ergebnissen einer Topologieoptimierungen wenigstens eine Konzeptgeometrie, mithin die durch die parametrischen Flächen definierte Geometrie zu erzeugen.
Durch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine beziehungsweise die in dem ersten Schritt abgeleitete Topologie durch parametrische Flächen dargestellt, wobei Abstände zu Knotenpunkten einer Ausgangsdiskretisierung zulässig sein können. Des Weiteren ist das Verfahren auf eine Rückführung von Ergebnissen einer Topologieoptimierung zugeschnitten. Unter dieser Rückführung ist zu verstehen, dass dadurch, dass durch die Schritte des Verfahrens die auch als Ausgangsgeometrie bezeichnete, durch die diskretisierten Flächen definierte, dritte Geometrie in die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie, welche auch als Zielgeometrie bezeichnet wird, überführt wird, wobei beispielsweise die Ausgangsgeometrie aus CAD-Daten beziehungsweise anhand von CAD-Daten gewonnen wird, und wobei die Zielgeometrie wieder in einem CAD-Programm verwendet werden kann, beziehungsweise durch CAD-Daten definiert oder beschrieben sein kann, die in einem CAD-Programm verwendet werden können. insbesondere ist die Erfindung vor dem folgenden Hintergrund gemacht worden.
Simulationen, in deren Rahmen beispielsweise Belastungen von Bauteilen beziehungsweise aus Belastungen resultierende Verhalten wie beispielsweise Verformungen von Bauteilen simuliert und somit ermittelt werden, sind diskret. Dies bedeutet, dass in solche Bauteilen anhand einer durch diskretisierte Flächen definierten Geometrie des Bauteils beziehungsweise eines Bauteils durchgeführt wird. Eine Konstruktion des beziehungsweise eines Bauteils jedoch ist parametrisch, wird also auf Basis einer durch parametrische Flächen definierten Geometrie durchgeführt. Soll somit beispielsweise ein per CAD und somit parametrisch konstruiertes Bauteil, das heißt ein beispielsweise per CAD und somit parametrisch konstruiertes, virtuelles Modell eines Bauteils untersucht werden, derart, dass ein Verhalten des Bauteils beziehungsweise des Modells unter Belastung simuliert wird, so wird das parametrische Modell, das heißt eine durch parametrische Flächen definierte und von einem CAD-Modell bereitgestellte Geometrie des Bauteils diskretisiert, das heißt in eine durch diskretisierte Flächen definierte Geometrie überführt, anhand derer dann die Simulation durchgeführt werden kann. Hierzu wird beispielsweise anhand der durch parametrische Flächen definierten Geometrie eine auch als Gitter, Mesh oder Gitternetz bezeichnetes Netz erzeugt, wie es beispielsweise in Finite-Element-Methoden zum Einsatz kommt, wobei anhand des Netzes die Simulation durchgeführt wird. Somit werden in Simulationen Flächen diskretisiert beschrieben, wobei jedoch im Rahmen einer Konstruktion, insbesondere einer CAD-Konstruktion und somit im Rahmen eines CAD-Programms Flächen parametrisch konstruiert und somit beschrieben werden. Ein Ergebnis der Simulation kann hier beispielsweise ein Ergebnis einer Topologieoptimierung eine durch diskretisierte Flächen beschriebene Geometrie sein, wobei herkömmliche Lösungen nicht darauf zugeschnitten beziehungsweise nicht dafür vorgesehen sind, eine durch diskretisierte Flächen definierte und beispielsweise aus einer Simulation beziehungsweise aus einer Topologieoptimierung resultierende Geometrie, die ursprünglich aus einer durch parametrische Flächen definierten Geometrie gewonnen wurde, wieder einem CAD-Programm zuzuführen, mithin in eine durch parametrische Flächen definierte Geometrie zu überführen, die dann beispielsweise in einem beziehungsweise mittels eines CAD-Programms weiter bearbeitet werden kann. Eine solche Rückführung eines Ergebnisses einer Simulation beziehungsweise einer Topologieoptimierung, das heißt eine Rückführung einer durch diskretisierte Flächen definierten Geometrie in ein CAD-Programm, das heißt in eine durch parametrische Flächen definierte Geometrie ist nun durch die Erfindung, insbesondere automatisch, möglich. Die auch als CAD-Rückführung bezeichnete Rückführung, mithin der vierte Schritt des Verfahrens, kann eine einfache Geometrie in Form der durch die parametrischen Flächen definierten, vierten Geometrie erzeugen beziehungsweise bereitstellen, die das Topologieoptimierungsergebnis topologisch beschreibt. Die besonders vorteilhafte und insbesondere automatische Rückführung des Ergebnisses der Topologieoptimierung in die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie des Bauteils und somit beispielsweise in ein CAD-Programm ist erfindungsgemäß durch die vier Schritte und insbesondere erst durch deren Kombination vorteilhaft möglich.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Schritte a), b), c) und d) in folgender Reihenfolge aufeinanderfolgend durchgeführt werden: a) - b) - c) - d). Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der zweite Schritt nach dem ersten Schritt, der dritte Schritt nach dem zweiten Schritt und der vierte Schritt nach dem dritten Schritt durchgeführt wird. Die einzelnen Schritte a), b), c) und d) an sich sind bereits aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und ohne weiteres durch einen Fachmann ausführbar. Die Erfindung liegt insbesondere in der Kombination und ganz insbesondere in der genannten Reihenfolge der Schritte, wodurch eine CAD-Rückführung automatisch realisierbar ist, was auch als „Top-down approach“ bezeichnet wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie einer Formoptimierung unterzogen wird, welche mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt wird. Durch die Formoptimierung kann eine besonders vorteilhafte, insbesondere zumindest optimale, Form, insbesondere des Bauteils, generiert werden. Ein Ergebnis der Formoptimierung ist beispielsweise ein Verformungsfeld, das auf die bei dem Schritt d) erzeugte, und auch als CAD-Geometrie bezeichnete, durch die parametrischen Flächen definierte Geometrie übertragen wird, um aus der CAD-Geometrie beziehungsweise auf Basis der CAD-Geometrie die durch die Formoptimierung ermittelte Form des Bauteils zu erzeugen.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei dem ersten Schritt die Topologie abgeleitet, indem ein Skelett aus der durch die diskretisierten Flächen definierten, ersten Geometrie extrahiert wird. Mit anderen Worten kann bei dem ersten Schritt, das heißt bei der Topologiesegmentierung die Topologie beispielsweise durch Extrahieren eines Skeletts erkannt werden. Hierdurch könnten Ingenieure beziehungsweise eine das Verfahren nutzende Person die resultiende Geometrien in CAD-Format besonders einfach manipulieren. Das Extrahieren eines Skeletts ist nur ein Beispiel dafür, wie die Topologiesegmentierung helfen kann, die Geometrie zu manipulieren. Es könnte andere Methoden geben beziehungsweise verwendet werden, um diese Aufgabe zu erfüllen. Ein Ziel der Topologiesegmentierung ist es, die komplexe Geometrie zu vereinfachen und es den Ingenieuren beziehungsweise der Person zu erleichtern, sie zu verstehen, zu manipulieren und/oder zu ändern.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn bei dem ersten Schritt eine KI-basierte Methode (KI - künstliche Intelligenz) und/oder die harmonischen Felder von Laplace-Beltrami-Operatoren oder deren Varianten verwendet wird beziehungsweise werden, um die Topologie abzuleiten. Mit anderen Worten erfolgt bei der Topologiesegmentierung beispielsweise eine Erkennung der Topologie durch den Einsatz einer Kl-basierten Methode und/oder durch den Einsatz wenigstens eines oder mehrerer Verfahren basierend auf den harmonischen Feldern von Laplace-Beltrami-Operatoren (oder deren Varianten). Laplace-Beltrami-Operatoren oder deren Varianten sowie die Laplace-Matrix-Methode sind nur mögliche Beispiele, um die Topologie ableiten zu können. Andere Verfahren sind möglich.
Durch den zweiten Schritt b) wird verhindert, dass Informationen aus der Topologieoptimierung insbesondere im Hinblick auf die Querschnittseigenschaften verloren gehen. Grundsätzlich wäre es denkbar, den zweiten Schritt entfallen zu lassen, wobei mit Hilfe einer Formoptimierung ein ähnliches Ergebnis generiert werden könnte, jedoch wäre hierzu eine hohe Anzahl an Iterationen erforderlich, die durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden können. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeit- und kostengünstig durchgeführt werden.
Die durch den vierten Schritt ermittelte, durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie, das heißt die zuvor genannten CAD-Daten, die die durch den vierten Schritt ermittelte, durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie definieren beziehungsweise beschreiben und somit durch den vierten Schritt gewonnen werden können, können schließlich verwendet werden, um das Bauteil zu konstruieren und in der Folge beispielsweise herzustellen. Insbesondere können die CAD-Daten verwendet werden, um das Bauteil mittels eines CAD-Programms zu konstruieren. Hierzu werden die durch den vierten Schritt gewonnen beziehungsweise erzeugten oder bereitgestellten CAD-Daten, insbesondere im Rahmen der zuvor genannten Rückführung, dem CAD-Programm zugeführt. Die Erfindung ermöglicht es somit sozusagen, einen Kreis oder Kreislauf zwischen der zuvor beschriebenen Simulation und der zuvor beschriebenen CAD-Konstruktion zu schließen. Wie zuvor beschrieben umfasst der Kreislauf beispielsweise, dass ein virtuelles, per CAD konstruiertes und somit parametrisches Modell eines Bauteils diskretisiert, mithin in ein diskretes Modell überführt wird, auf Basis dessen eine Simulation beziehungsweise eine Topologieoptimierung durchgeführt wird. Die Topologieoptimierung stellt als Ergebnis ein weiteres, diskretisiertes Modell, mithin die durch die diskretisierten Flächen definierte, erste Geometrie bereit, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren in die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie und somit beispielsweise in ein weiteres, parametrisches Modell überführt werden kann. Letzteres kann dann wieder in dem oder einem anderen CAD-Programm verwendet werden, um das Bauteil zu konstruieren. Somit ist der Kreislauf dann geschlossen.
Die Konvexitätssegmentierung kann insbesondere umfassen, dass die Flächenelemente und somit eine durch die Flächenelemente gebildete Oberfläche unterteilt werden, bis daraus resultierende, einzelne Flächenelemente oder Flächensegmente konvex sind. Beispielsweise kann bei dem dritten Schritt vorgesehen sein, dass basierend auf die im zweiten Schritt durchgeführte Oberflächensegmentierung eine so genannte Poly-Cube-Struktur und anschließend ein so genanntes Tri-Mesh und/oder Quad-Mesh generiert wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der vierte Schritt des Verfahrens ein so genanntes Parametric Surface-Fitting umfasst, sodass vorzugsweise bei dem vierten Schritt die Parametrisierung mittels nicht-uniformen rationalen B-Splines (non-uniform rational B splines - NURBS) durchgeführt wird. Insbesondere kann der vierte Schritt eine so genannte Sub-Division-Surfaces-Konstruktion umfassen, insbesondere basierend auf dem zuvor genannten Tri-Mesh beziehungsweise Quad-Mesh. Parametrische Flächen können mit nicht-uniformen rationalen B-Splines (NURBS) oder aber wenigstens einer oder mehreren anderen Methoden wie beispielsweise Subdivision-surfaces aufgebaut werden.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn als die Flächenelemente dreieckige oder viereckige Flächenelemente verwendet werden. Hierdurch kann die CAD-Rückführung besonders vorteilhaft realisiert werden.
Insgesamt ist erkennbar, dass es die Erfindung ermöglicht, aus der Topologieoptimierung beziehungsweise aus deren Ergebnis sowohl eine dazu passende CAD-Geometrie in Form der durch die parametrischen Flächen definierten, vierten Geometrie zu generieren, als auch diese gegebenenfalls in weiteren Schritten und beispielsweise durch die zuvor genannte Formoptimierung anforderungsgerecht zu dimensionieren. Ferner ist es möglich, eine Topologie der CAD-Geometrie schnell und intuitiv anzupassen. Durch eine Anpassung des Ergebnisses des ersten Schrittes kann die resultierende Geometrie angepasst werden. Eine das Verfahren nutzende Person kann mit Hilfe von einfachen Parametern die Geometrie steuern und auf diese Weise eine gewünschte Geometrie erzeugen. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Realisierung eines auch als Arbeitsablauf bezeichneten Workflows, der die Topologie approximiert und infolgedessen keine lokalen Formmerkmale berücksichtigt. Starke Krümmungsunterschiede können nicht innerhalb eines Patches erzeugt werden, wodurch sich die Zuordnung der Flächen in dem vierten Schritt reduziert. Durch die Konvexitätssegmentierung im dritten Schritt kann die Ordnung der Flächen nochmals reduziert werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektronische Recheneinrichtung, welche zum Durchführen eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die elektronische Recheneinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausführt. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Schließlich betrifft ein vierter Aspekt der Erfindung ein computerlesbares Medium, auf welchem das Computerprogrammprodukt gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung gespeichert ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten, zweiten und dritten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des vierten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 ein Blockdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Konstruieren eines Bauteils;
2 eine schematische Darstellung einer aus einer Topologieoptimierung resultierenden und durch diskretisierte Flächen definierten, ersten Geometrie;
3 eine schematische Darstellung einer aus der in 2 veranschaulichten, ersten Geometrie gewonnenen, weiteren Geometrie;
4 eine schematische Darstellung einer aus der weiteren Geometrie gewonnenen zweiten Geometrie;
5 ein Flussdiagramm zum weiteren Veranschaulichen des Verfahrens;
6 ein weiteres Flussdiagramm zum weiteren Veranschaulichen des Verfahrens.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand der Fig. wird im Folgenden ein Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils, insbesondere für ein Fahrzeug, beschrieben. Dem Verfahren vorgelagert oder Teil des Verfahrens kann eine in 5 durch einen Block 1 veranschaulichte Topologieoptimierung sein, welche eine erste, durch diskretisierte Flächen definierte Geometrie 2 (2) bereitstellt, was in 5 und 6 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten resultiert die durch die diskretisierten Flächen definierte Geometrie 2 aus der Topologieoptimierung (Block 1). Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist die Geometrie 2 ein Ergebnis der Topologieoptimierung oder ein aus einem Ergebnis der Topologieoptimierung resultierendes Ergebnis beziehungsweise eine aus einem Ergebnis der Topologieoptimierung resultierende Geometrie, die durch diskretisierte Flächen definiert ist und somit eine diskretisierte Geometrie ist. Beispielsweise wird die diskretisierte, erste Geometrie 2, welche auch als erste Geometrie bezeichnet wird, durch ein erstes Netz beschrieben oder definiert, welches auch als Gitter, Gitternetz oder FE-Mesh (Finite-Elemente-Netz) bezeichnet wird. Das erste Netz könnte beispielsweise in einer Finite-Elemente-Methode verwendet werden oder wird in einer Finite-Elemente-Methode verwendet. Insbesondere könnte das erste Netz in einer Simulation verwendet werden, durch welche beispielsweise ein unter Belastung stattfindendes Verhalten der ersten Geometrie 2 simuliert und somit ermittelt werden könnte.
Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens wird mittels einer elektronischen Recheneinrichtung eine Topologiesegmentierung durchgeführt, bei welcher von der aus der Topologieoptimierung resultierenden und durch die diskretisierten Flächen definierten, ersten Geometrie 2 eine in 5 durch einen Block 4 veranschaulichte Topologie abgeleitet wird. Die Topologie (Block 4) ist oder beschreibt beispielsweise eine weitere, durch diskretisierte Flächen definierte Geometrie 3 (3 und 6) oder Struktur, oder die durch den Block 4 veranschaulichte Topologie ist eine weitere, durch diskretisierte Flächen definierte Geometrie 3 oder Struktur, sodass beispielsweise die Topologie beziehungsweise die weitere Geometrie 3 durch ein weiteres Netz, insbesondere ein weiteres FE-Mesh (FE-Netz) beschrieben oder definiert sein kann.
Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Oberflächensegmentierung durchgeführt, bei welcher auf Basis der abgeleiteten Topologie (Block 4), das heißt auf Basis der weiteren Geometrie 3 miteinander verbundene Flächenelemente definiert werden, die eine zweite Geometrie 5 (4) beschreiben beziehungsweise definieren. Die zweite Geometrie i5st eine durch diskretisierte Flächen definierte Geometrie und somit eine diskrete Geometrie, die durch ein zweites FE-Mesh definiert beziehungsweise beschrieben sein kann.
Bei einem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Konvexitätssegmentierung durchgeführt, bei welcher diejenigen der die zweite Geometrie 5 beschreibenden Flächenelemente, die einen Konvexitätssprung aufweisen und somit beispielsweise Konvex und Konkav sind, in wenigstens zwei weitere Flächenelemente aufgeteilt werden, welche frei von Konvexitätssprüngen und somit beispielsweise nur konvex oder nur konkav sind.
Hierdurch wird bei dem dritten Schritt aus der zweiten Geometrie 5 eine dritte Geometrie 6 (5 und 6) erzeugt wird, die durch die aus dem zweiten Schritt und dem dritten Schritten resultierenden bzw. dadurch erzeugten, Flächenelemente beschrieben oder definiert wird. Somit resultiert beispielsweise aus dem dritten Schritt S3, dass die dritte Geometrie 6, durch ein drittes FE-Mesh beschrieben oder definiert ist und dabei eine durch diskretisierte Flächen definierte, dritte Geometrie ist.
Bei einem vierten Schritt S4 wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung eine Parametrisierung durchgeführt, durch welche die zunächst durch die aus dem zweiten und dritten Schritt resultierenden Flächenelemente beschriebene, dritte Geometrie 6 in eine durch parametrische Flächen definierte, vierte Geometrie 7 des Bauteils überführt wird. Die durch die parametrischen Flächen definierte, vierte Geometrie 7 wird beispielsweise durch CAD-Daten beschrieben beziehungsweise definiert, sodass die durch durch die Flächenelemente beschriebene und aus dem dritten Schritt S3 resultierende, vierte Geometrie 7 eine so genannte CAD-Geometrie ist, welche nun nicht durch diskretisierte Flächen, sondern durch parametrische Flächen definiert ist. Die CAD-Daten beziehungsweise die CAD-Geometrie kann nun beispielsweise einem CAD-Programm zugeführt und durch das CAD-Programm bearbeitet werden, um schließlich das Bauteil zu konstruieren. Es ist erkennbar, dass die CAD-Daten beziehungsweise die CAD-Geometrie Ausgangsgrößen des vierten Schritts S4 sind.
Die Topologieoptimierung (Block 1) wird beispielsweise anhand einer durch diskretisierte Flächen definierten Geometrie durchgeführt, die von dem CAD-Programm bereitgestellt wird beziehungsweise aus einer durch parametrische Flächen definierten Geometrie, die beispielsweise von dem CAD-Programm bereitgestellt wird, abgeleitet wird. Da nun durch den vierten Schritt S4 die CAD-Geometrie erzeugt beziehungsweise bereitgestellt wird, die dem CAD-Programm zugeführt werden kann, ist eine CAD-Rückführung geschaffen. Somit ist sozusagen ein Kreislauf geschlossen, der eine besonders vorteilhafte Konstruktion des Bauteils ermöglicht.
Schließlich zeigt 6 ein weiteres Flussdiagramm zum weiteren Veranschaulichen des Verfahrens. Wie aus 6 erkennbar ist, ist das Verfahren ein sogenannter „Top-bottom-approach“ oder wird nach dem sogenannten „Top-bottom-approach“ (von-oben-nachunten-Ansatz) durchgeführt, was durch einen in 6 gezeigten Pfeil 8 visualisiert ist. Die Geometrie 2 ist ein sogenanntes Input Mesh, also ein Netz, das als Eingangs- oder Startgröße genutzt wird, von der ausgehend das Verfahren beginnt. Wie bereits beschrieben ist die Geometrie 2 das Ergebnis der Topologieoptimierung. Auch erkennbar sind die aus der Topologiesegmentierung, der Oberflächensegmentierung und der Konvexitätssegmentierung resultierenden Geometrien 2, 3, 5 und 6. Die aus der dritten Geometrie 6 erzeugte, vierte Geometrie 7 wird beispielsweise durch sogenanntes „parametric surface-fitting“ aus der dritten Geometrie 6 erzeugt.
Bezugszeichenliste

1: Block
2: erste Geometrie
3: weitere Geometrie
4: Block
5: zweite Geometrie
6: dritte Geometrie
7: vierte Geometrie
8: Pfeil
S1-S4: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69733014 T2 [0002]
DE 102007030960 A1 [0002]
EP 2251805 A2 [0002]
WO 2015/106021 A1 [0002]
DE 102015214750 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Konstruieren eines Bauteils, mit den Schritten: a) mittels einer elektronischen Recheneinrichtung: Durchführen einer Topologiesegmentierung, bei welcher von einer aus einer Topologieoptimierung resultierenden und durch diskretisierte Flächen definierten, ersten Geometrie (2) eine Topologie (4) abgeleitet wird (Schritt S1); b) mittels der elektronischen Recheneinrichtung: Durchführen einer Oberflächensegmentierung, bei welcher auf Basis der abgeleiteten Topologie (4) miteinander verbundene Flächenelemente definiert werden, die eine zweite Geometrie (5) beschreiben (Schritt S2); c) mittels der elektronischen Recheneinrichtung: Durchführen einer Konvexitätssegmentierung, bei welcher diejenigen der die zweite Geometrie (5) beschreibenden Flächenelemente, die einen Konvexitätssprung aufweisen, in wenigstens zwei weitere Flächenelemente aufgeteilt werden, welche frei von Konvexitätssprüngen sind (Schritt S3), wodurch aus der zweiten Geometrie (5) eine dritte Geometrie (6) erzeugt wird; und d) mittels der elektronischen Recheneinrichtung: Durchführen einer Parametrisierung, durch welche die zunächst durch die Flächenelemente beschriebene, dritte Geometrie (6) in eine durch parametrische Flächen definierte, vierte Geometrie (7) des Bauteils überführt wird (Schritt S4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a), b), c) und d) in folgender Reihenfolge durchgeführt werden: a) - b) - c) - d).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die parametrischen Flächen definierte Geometrie einer Formoptimierung unterzogen wird, welche mittels der elektronischen Recheneinrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt a) eine KI-basierte Methode und/oder eine Laplace-Matrix-Methode verwendet wird, um die Topologie abzuleiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt d) die Parametrisierung mittels nicht-uniformen rationalen B-Splines durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Flächenelemente dreieckige oder viereckige Flächenelemente verwendet werden.
Elektronische Recheneinrichtung, welche zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass die elektronische Recheneinrichtung nach Anspruch 7 das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.
Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8 gespeichert ist.