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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines dreidimensionalen Bauteils sowie ein mittels eines derartigen Verfahrens optimiertes dreidimensionales Bauteil.
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Kundenanforderungen an Individualität steigen in allen Industriezweigen. Zudem verkürzen sich die Produktzyklen. Um trotz steigender Zahl an Produktvarianten die Anzahl an Prototypen gleich zu halten oder gar zu reduzieren, ist in allen Zweigen der Industrie die simulationsbasierte Optimierung von Bauteilen ein wichtiger Teil der Produktentwicklung.
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Als Grundlage für die simulationsbasierte Optimierung dienen regelmäßig parametrisierte CAD-Modelle („Computer-aided design“) des Bauteils. Auf Basis der CAD-Modelle werden Eigenschaften des Bauteils berechnet, wie beispielsweise die Bauteilsteifigkeit oder ihre Akustikeigenschaft. Die berechneten Werte werden anschließend mit Zielwerten verglichen. Weichen die berechneten Werte von den Zielwerten ab, wird das CAD-Modell manuell modifiziert bzw. geändert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Bauteil die gewünschten Eigenschaften aufweist.
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Die Optimierung des Bauteils basierend auf parametrisierten CAD-Modellen ist daher zeit- und arbeitsaufwendig. Zudem müssen die CAD-Modelle, um bei der Optimierung jede mögliche Parameterkombination erzeugen zu können bzw. einen großen Optimierungs-Freiraum zu gewährleisten, flexibel und stabil aufgebaut sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Optimierung eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, das eine schnelle und zuverlässige Optimierung des Bauteils ermöglicht und welches der steigenden Zahl an Produkt- und Bauteilvarianten und den sich verkürzenden Produktzyklen gerecht wird. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionales Bauteil bereitzustellen, das mittels eines derartigen Verfahrens optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und das dreidimensionale Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Optimierung eines dreidimensionalen Bauteils bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst: Erstellen eines Simulationsmodells des dreidimensionalen Bauteils und numerische Strukturoptimierung des Simulationsmodells des dreidimensionalen Bauteils. Der numerischen Strukturoptimierung liegt hierbei eine Optimierung der passiven Sicherheit, der quasistatischen Festigkeit, der Betriebsfestigkeit, des Akustikverhaltens und/oder der Fahrdynamik des dreidimensionalen Bauteils zu Grunde.
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Das Simulationsmodell wird also so lange mittels numerischer Strukturoptimierung geändert bzw. optimiert, bis ein Wert bzw. Werte der passiven Sicherheit, der quasistatischen Festigkeit, der Betriebsfestigkeit, des Akustikverhaltens und/oder der Fahrdynamik des dreidimensionalen Bauteils, der bzw. die basierend auf dem Simulationsmodell berechnet ist bzw. sind, optimiert ist. Der Wert bzw. die Werte können optimiert sein, wenn ein Optimum, ein vorbestimmter bzw. vordefinierter Zielwerts oder ein vorbestimmter Zielbereich erreicht ist oder wenn je nach Definition ein vorbestimmter Zielwert überschritten oder unterschritten ist.
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Kerngedanke der Erfindung ist es also die passive Sicherheit, die quasistatische Festigkeit, die Betriebsfestigkeit, das Akustikverhalten und/oder die Fahrdynamik des dreidimensionalen Bauteils mittels numerischer Strukturoptimierung zu optimieren.
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Durch die automatisierte Optimierung des Modells des dreidimensionalen Bauteils entfällt die Notwendigkeit einer manuellen Anpassung des parametrisierten CAD-Modells. Dies reduziert einen Entwicklungsaufwand, Entwicklungszeit und Entwicklungskosten. Ferner bietet die numerische Strukturoptimierung einen hohen Optimierungs-Freiraum.
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Die passive Sicherheit, d.h. das Crashverhalten des dreidimensionalen Bauteils umfasst beispielsweise die passive Sicherheit bei einem Front-, Seiten- und/oder Heckcrash.
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Die Optimierung der quasistatischen Festigkeit des dreidimensionalen Bauteils kann eine Optimierung einer Dacheindrückfestigkeit, einer Türeindrückfestigkeit, einer Gurtzugfestigkeit, einer Festigkeit im dynamischen Schlittenversuch, einer Festigkeit beim Abschleppen und/oder einer Festigkeit bei einer Anhängelastprüfung umfassen.
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Die Optimierung der Betriebsfestigkeit des dreidimensionalen Bauteils kann eine statische Festigkeitsanalyse, eine Vibrationsprüfung, die Simulation einer Prozesslast und/oder die Simulation einer Manöverlast umfassen. Unter Prozesslasten sind Lasten zu verstehen, welche während des Herstellungsprozesses des dreidimensionalen Bauteils sowie des Kraftfahrzeugs auftreten. Unter Manöverlasten sind Lasten zu verstehen, welche im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs auftreten.
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Die Optimierung des Akustikverhaltens des dreidimensionalen Bauteils kann eine Optimierung einer global-dynamischen Steifigkeit, eine Optimierung einer lokal-dynamischen Anbindungssteifigkeit, eine Optimierung von Blechfeldschwingungen, eine Optimierung von Schwingungseigenschaften eines Anbauteils, welches an das dreidimensionale Bauteil angrenzt, und/oder eine Optimierung, insbesondere eine Minimierung der effektiven Strahlungsleistung (eng. „Equivalent Radiated Power“, ERP) des Bauteils umfassen.
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Die Optimierung der Fahrdynamik des dreidimensionalen Bauteils kann eine Optimierung eines globalen Deformationsverhaltens, insbesondere bei (Quer-)Biegung und/oder Torsion, eine Optimierung eines lokalen Deformationsverhaltens, insbesondere Radstellungsänderungen und/oder eine Optimierung der lokalen-translatorischen Steifigkeit umfassen.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der numerischen Strukturoptimierung das dreidimensionale Bauteil form-optimiert, parameter-optimiert und/oder topologie-optimiert.
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Die Parameter-Optimierung betrifft die Frage, welche Abmessungen, Richtung, Anordnung und/oder Werkstoffe, Werkstoffgüten, insbesondere Strukturelemente eines dreidimensionalen Bauteils aufweisen müssen, um bestimmte Zielwerte zu erreichen. Hierbei werden einzelne Parameter, beispielsweise der Querschnitt eines Balkenelementes oder die Wanddicke eines Schalenelementes variiert.
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Die Form-Optimierung wird durchgeführt, um bestimmte Zielwerte zu erreichen. Dies geschieht durch Anpassung der Form der Bauteilfläche, insbesondere der Form mindestens eines Durchbruchs, mindestens einer Verprägung und/oder mindestens einer Rippe beispielsweise zur Minimierung von Spannungsspitzen in der Strukturmechanik des dreidimensionalen Bauteils. Hierbei werden geometrische Parameter lokaler Bereiche des dreidimensionalen Bauteils so verformt, dass die Spannungen gleichmäßiger verteilt und somit die Spannungsspitzen minimiert sind.
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Die geometrischen Parameter können Bauteilabmessungen, Loch- und Krümmungsradien und/oder -Lage umfassen.
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Die Form-Optimierung kann mittels eines Vertex-Morphing-Algorithmus erfolgen.
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Die Topologie-Optimierung betrifft eine optimale Materialverteilung in einem vorgegebenen Entwurfsraum, so dass das dreidimensionale Bauteil mit möglichst geringem Einsatz von Material (einen) gestellte(n) Zielwert(e) erfüllt oder bei festgelegter Menge an Material die Zielwerte verbessert werden. Hierzu wird aus dem dreidimensionalen Bauteil ein angepasstes Gerüst herausgearbeitet, indem bei jedem Iterationsschritt wenig belastetes Material vermieden oder umverteilt wird. Bei der Topologie-Optimierung wird also das materialsparsamste Tragwerk unter verschiedenen Varianten gesucht, das gleichzeitig die Zielwerte an das dreidimensionale Bauteil erfüllt oder die besten Zielwerte bei festgelegter Menge an Material aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der numerischen Strukturoptimierung mindestens eine Freiform, d.h. eine Form bzw. äußere plastische Gestalt, die keiner definierten geometrischen Form entspricht, in das Simulationsmodell eingebracht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist die mittels der numerischen Strukturoptimierung in das Simulationsmodell eingebrachte Freiform frei von scharfen Kanten. Die Freiform kann sanfte, weiche bzw. fließende Übergänge aufweisen.
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Beispielsweise ist die Freiform eine unregelmäßige, weich verlaufende Erhebung bzw. Ausbeulung und/oder eine unregelmäßige, weich verlaufende Einkerbung bzw. Mulde.
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Die Erhebung und/oder die Einkerbung können bzw. kann selbst wiederum eine unregelmäßige, weich verlaufende Erhebung und/oder eine unregelmäßige, weich verlaufende Einkerbung aufweisen. Auch können bzw. kann die Erhebung und/oder die Einkerbung eine Vielzahl von unregelmäßigen, weich verlaufenden Erhebungen und/oder eine Vielzahl von unregelmäßigen, weich verlaufenden Einkerbungen umfassen.
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Die Freiform hat beispielsweise die Form eines unregelmäßigen Pyramidenstumpfes, der grundflächenseitig geöffnet ist und dessen Mantelflächen und Deckfläche weich, also ohne scharfe Kanten miteinander verbunden sind bzw. ineinander übergehen.
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Auch kann als freie Form mindestens eine Welle und/oder Wellenform in das Simulationsmodell eingebracht werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der numerischen Strukturoptimierung eine Aussparung, insbesondere mit einer beliebigen Geometrie in das Simulationsmodell eingebracht.
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Die Aussparung, insbesondere eine die Aussparung umgebende Wand kann eine Freiform sein, d.h. eine Form bzw. äußere plastische Gestalt aufweisen, die keiner definierten geometrischen Form entspricht.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der numerischen Strukturoptimierung die Wandstärke des Simulationsmodells oder die Wandstärke eines Teils des Simulationsmodells verändert.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird bei der numerischen Strukturoptimierung mindestens eine Rippe in das Simulationsmodell eingebracht.
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Die Rippe weist beispielsweise eine Wandstärke, die von einer Wandstärke eines anderen Teils des dreidimensionalen Bauteils, insbesondere einer anderen Rippe abweicht, die in Rippen-Längserstreckung und/oder die in Rippen-Hocherstreckung variiert auf.
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Die Rippe kann eine Krümmung in Rippen-Längserstreckung umfassen. Die Rippe kann sich also unregelmäßig, d.h. nicht-linear, insbesondere keiner definierten geometrischen Form entsprechend erstrecken.
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Die Rippe kann mit einem an die Rippe angrenzenden Teil des Bauteils, insbesondere mit einer angrenzenden Rippe einen Winkel einschließen, der von 30°, 45°, 60° und 90° abweicht. D.h. die Rippe ist keine Längsrippe, keine Kreuzrippe und keine Querrippe.
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Die Rippe kann an nur einer Seite, insbesondere Oberseite oder Unterseite an einer benachbarten Fläche, insbesondere an einer Grundfläche des dreidimensionalen Bauteils anliegen. Die Rippe kann also an einer beliebigen Stelle des dreidimensionalen Bauteils angeordnet sein, so dass diese in Rippen-Längserstreckung endseitig nicht an weitere Bereich des dreidimensionalen Bauteils angrenzt.
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Es ist vorteilhaft, wenn mindestens ein Bereich des Simulationsmodells als unveränderlicher Bereich bestimmt bzw. definiert wird. Der als unveränderlicher Bereich bestimmte Bereich erfährt bei der numerischen Strukturoptimierung keine Modifizierung bzw. bleibt unverändert.
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Der als unveränderlicher Bereich bestimmte Bereich kann einem Schnittstellenbereich des dreidimensionalen Bauteils entsprechen. An dem Schnittstellenbereich ist das dreidimensionale Bauteil an die Geometrie eines benachbarten Bauteils angepasst, in einer nahen Nachbarschaft zu einem benachbarten Bauteil angeordnet und/oder mit diesen verbunden. Somit kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass die Schnittstellenbereiche des dreidimensionalen Bauteils unverändert sind und somit keine Anpassungen des benachbarten weiteren Bauteils erforderlich ist bzw. durch die numerische Strukturoptimierung wird.
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Des Weiteren wird ein dreidimensionales Bauteil vorgeschlagen, das nach einem der im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren optimiert ist. Durch Verwendung der numerischen Strukturoptimierung mit der Zielfunktion einer Optimierung der passiven Sicherheit, der quasistatischen Festigkeit, der Betriebsfestigkeit, des Akustikverhaltens und/oder der Fahrdynamik des dreidimensionalen Bauteils ist es möglich, den Entwicklungsaufwand und die Entwicklungszeit zu reduzieren und gleichzeitig das dreidimensionale Bauteil zu optimieren bzw. zu verbessern.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung ist das dreidimensionale Bauteil Bestandteil eines Verkehrsmittels bzw. Fortbewegungsmittels.
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Das dreidimensionale Bauteil kann Bestandteil eines motorisierten Fahrzeugs, eines Hubschraubers, eines Flugzeugs oder eines Schiffs sein.
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Das dreidimensionale Bauteil ist beispielsweise ein Karosseriebauteil, insbesondere ein Strukturbauteil bzw. ein tragendes Bauteil einer Karosseriestruktur, ein Fahrwerksbauteil oder ein Antriebsbauteil des Fahrzeugs.
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Das Karosseriebauteil ist beispielsweise ein Türbauteil, insbesondere ein Türleichtbauträger, ein Schubfeld zur Versteifung des Fahrzeugs, ein Hecklängsträger, eine Stirnwand, ein Gepäckraumboden, ein Hecklängsträger oder ein Bodenmittelblech.
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Das Fahrwerksbauteil kann ein Element des Vorderachsträgers, ein Element des Hinterachsträgers, ein Schubfeld zur Versteifung des Fahrzeugs, ein Lenker, insbesondere ein Spurlenker, ein Sturzlenker, ein Querlenker oder eine Felge sein.
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Das Antriebsbauteil ist beispielsweise ein Gehäuse einer E-Maschine, eines Hochvoltspeichers oder einer Hochleistungselektronik.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das dreidimensionale Bauteil nach der Erfindung ein Umformbauteil, d.h. ein Blech, das mittels Biegen und/oder tiefziehen umgeformt ist, ein Gussbauteil oder ein mittels Additive Manufacturing hergestelltes Bauteil.
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Bevorzugt ist das dreidimensionale Bauteil ein Umformbauteil, ein Spritzgussbauteil oder ein Aluminium-Druckgussbauteil.
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Das dreidimensionale Bauteil kann aus Metall oder Kunststoff sein oder umfassen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das dreidimensionale Bauteil nach der Erfindung mindestens eine Freiform, die keiner definierten geometrischen Form entspricht.
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Die Freiform kann sanfte, weiche bzw. fließende Übergänge aufweisen. Auch kann die Freiform frei von scharfen Kanten sein.
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Die Freiform ist beispielsweise eine unregelmäßige Erhebung bzw. Ausbeulung und/oder eine unregelmäßige Einkerbung bzw. Mulde. Die Erhebung und/oder die Einkerbung können bzw. kann wiederum mindestens eine Erhebung und/oder Einkerbung umfassen.
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Die Freiform kann die Form eines unregelmäßigen Pyramidenstumpfes aufweisen, der grundflächenseitig geöffnet ist und dessen Mantelflächen und Deckfläche weich, also ohne scharfe Kante miteinander verbunden sind bzw. ineinander übergehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das dreidimensionale Bauteil nach der Erfindung mindestens eine Aussparung, insbesondere mit einer beliebigen Geometrie.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das optimierte dreidimensionale Bauteil nach der Erfindung unterschiedliche Wandstärken.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das optimierte dreidimensionale Bauteil nach der Erfindung mindestens eine Rippe.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine Vorderansicht eines Simulationsmodells eines ersten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung vor einer Parameter-Optimierung;
- 2 eine Vorderansicht des Simulationsmodells des ersten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung nach der Parameter-Optimierung;
- 3 eine Vorderansicht eines Simulationsmodells eines zweiten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung vor einer Form-Optimierung;
- 4 eine Vorderansicht des Simulationsmodells des zweiten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung nach der Form-Optimierung;
- 5 eine Vorderansicht eines Simulationsmodells eines dritten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung vor einer Topologie-Optimierung;
- 6 eine Vorderansicht des Simulationsmodells des dritten dreidimensionalen Bauteils nach der Erfindung nach der Topologie-Optimierung;
- 7 eine perspektivische Ansicht eines Simulationsmodells eines Leichtbauträgers einer Fahrzeugtür vor einer Optimierung;
- 8 eine perspektivische Ansicht des Simulationsmodells des Leichtbauträgers der Fahrzeugtür nach der Optimierung;
- 9 eine Detailansicht des Bereichs A in 7;
- 10 eine Detailansicht des Bereichs A in 8;
- 11 eine Detailansicht des Bereichs B in 7;
- 12 eine Detailansicht des Bereichs B in 8;
- 13 eine Detailansicht des Bereichs C in 7;
- 14 eine Detailansicht des Bereichs C in 8;
- 15 eine Schnittansicht entlang der Linie IX-IX in 7;
- 16 eine Schnittansicht entlang der Linie X-X in 8;
- 17 eine Schnittansicht entlang der Linie XI-XI in 7;
- 18 eine Schnittansicht entlang der Linie XII-XII in 8;
- 19 eine Draufsicht eines Federbeindoms eines Fahrzeugs nach einer numerischen Strukturoptimierung;
- 20 eine Seitenansicht einer ersten Rippe des Federbeindoms;
- 21 eine Seitenansicht einer zweiten Rippe des Federbeindoms;
- 22 eine Seitenansicht einer dritten Rippe des Federbeindoms; und
- 23 eine Seitenansicht einer vierten Rippe des Federbeindoms.
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In den 1 und 2 ist ein Simulationsmodell eines ersten dreidimensionalen Bauteils 22 nach der Erfindung vor einer Parameter-Optimierung bzw. ein Simulationsmodell des ersten dreidimensionalen Bauteils 24 nach der Parameter-Optimierung dargestellt. Wie aus einem Vergleich der Simulationsmodelle aus 1 und 2 ersichtlich ist, wurden im Rahmen der Parameter-Optimierung die Abmessungen der Strukturelemente des ersten dreidimensionalen Bauteils 22 optimiert, um einen definierten Zielwert zu erreichen. Dies ist insbesondere durch eine Verstärkung, d.h. eine Balkendickenerhöhung bestimmter lasttragender Strukturelemente sichtbar. Die Verstärkung erfolgt durch die Materialwahl und/oder eine Veränderung der Balkendicke. So hat beispielsweise ein erstes Strukturelement 56 bei dem ersten Simulationsmodell des ersten dreidimensionalen Bauteils 24 nach der Parameter-Optimierung eine höhere Werkstoffgüte als ein zweites Strukturelement 58 und eine größere Balkendicke als ein drittes Strukturelement 60. Wie insbesondere aus einem Vergleich der 1 und 2 ersichtlich ist, wurden zudem Strukturelemente mit keiner oder nur geringer Lasttragung entfernt.
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Die 3 und 4 zeigen ein Simulationsmodell eines zweiten dreidimensionalen Bauteils 26 nach der Erfindung vor einer Form-Optimierung bzw. ein Simulationsmodell des zweiten dreidimensionalen Bauteils 28 nach der Form-Optimierung. Wie aus einem Vergleich der Simulationsmodelle aus 3 und 4 ersichtlich ist, wurde im Rahmen der Form-Optimierung die Form der Aussparungen 34, insbesondere die geometrischen Parameter der Aussparungen 34 modifiziert. Dir form-optimierten Aussparungen 36 weißen eine unregelmäßige Außenkontur auf, welche keiner definierten geometrischen Form folgt.
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In den 5 und 6 ist ein Simulationsmodell eines dritten dreidimensionalen Bauteils 30 nach der Erfindung vor einer Topologie-Optimierung bzw. ein Simulationsmodell des dritten dreidimensionalen Bauteils 32 nach der Topologie-Optimierung dargestellt. Wie aus den 5 und 6 ersichtlich ist, liegt der Topologie-Optimierung das Ziel zugrunde, Anforderungen an das dreidimensionale Bauteil mit möglichst geringem Materialeinsatz, insbesondere durch eine optimale Materialverteilung in einem vorgegebenen Entwurfsraum zu erfüllen. Der vorgegebene Entwurfsraum ist durch die Außengeometrie des Simulationsmodell des dritten dreidimensionalen Bauteils 30 vor der Topologie-Optimierung definiert. Das topologie-optimierte Simulationsmodell 32 folgt keiner definierten geometrischen Form. Vielmehr hat das topologie-optimierte Simulationsmodell des dritten dreidimensionalen Bauteils 32 eine bionische Form, d.h eine Freiform, die an Strukturen aus der Natur angelehnt ist, und weist freiförmige Aussparungen 62 auf, d.h. Aussparungen 62, die keiner definierten geometrischen Form folgen.
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In 7 ist ein Simulationsmodell 2 eines Leichtbauträgers einer Tür eines Fahrzeugs dargestellt. Bei dem Leichtbauträger handelt es sich um einen Fahrzeugtürträger aus glasfaserverstärkten Kunststoffen.
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Der Leichtbauträger umfasst eine Scheibenheber-Motor-Anbindungsfläche 16, an der im montierten Zustand des Leichtbauträgers ein (nicht dargestellter) Scheibenheber-Motor angeordnet ist. Dieser Scheibenheber-Motor erzeugt im aktivierten bzw. betätigten Zustand Schwingungen. Die Schwingungen werden an den Leichtbauträger übertragen und verursachen unangenehme bzw. störende Geräusche, Vibrationen und/oder ein Klappern des Leichtbauträgers.
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Um die Entstehung der störenden Geräusche, der Vibrationen und/oder des Klapperns zu verhindern bzw. zu reduzieren, wird das Akustikverhalten des Leichtbauträgers mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert bzw. optimiert. Hierzu wird das in 7 dargestellte Simulationsmodell 2 mittels eines Morphing-Algorithmus numerisch strukturoptimiert. Als Zielfunktion liegt der Optimierung hierbei eine Minimierung bzw. Reduzierung der effektiven Strahlungsleistung des Leichtbauträgers zu Grunde.
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Neben der Zielfunktion einer Minimierung der effektiven Strahlungsleistung des Leichtbauträgers können der Optimierung weitere zu optimierende Zielgrößen, wie die Bauteil-Steifigkeit, die Aerodynamik und oder die Akustikdynamik des Bauteils, zu Grunde gelegt werden.
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In 8 ist ein mittels numerischer Strukturoptimierung akustikoptimiertes Simulationsmodell 4 des Leichtbauträgers dargestellt. Das akustikoptimierte Simulationsmodell 4 unterscheidet sich von dem in 7 dargestellten Simulationsmodell 2 vor der Akustikoptimierung dadurch, dass es Freiformen bzw. freie Formen umfasst. Die Freiformen haben eine unregelmäßige Geometrie, die keiner definierten geometrischen Form entspricht.
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Die Freiformen reduzieren die effektive Strahlungsleistung des Leichtbauträgers und folglich eine Übertragung der von dem Scheibenheber-Motor erzeugten Schwingungen in dem Leichtbauträger. Somit ist das Akustikverhalten des Leichtbauträgers gemäß dem in 8 dargestellten Simulationsmodells 4 gegenüber dem Leichtbauträger gemäß dem Simulationsmodell 2 aus 7 verbessert.
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Wie insbesondere aus den in 15 und 17 dargestellten Schnittansichten durch das Simulationsmodell 2 des Leichtbauträgers vor Optimierung entlang der Linie IX-IX bzw. der Linie XI-XI in 7 sowie die in 16 und 18 dargestellten Schnittansichten durch das Simulationsmodell 4 des Leichtbauträgers nach der Optimierung entlang der Linie X-X bzw. der Linie XII-XII in 8 ersichtlich ist, ist das akustikoptimierte Simulationsmodell 4 unebener, ungleichmäßiger bzw. hügeliger als das Simulationsmodell 2 vor der Optimierung.
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Während Kanten bzw. Übergänge des in dem Simulationsmodell 2 dargestellten Bauteils vor der Akustikoptimierung scharf, hart bzw. klar sind, ist das akustikoptimierte Simulationsmodell 4, insbesondere dessen Erhebungen und Einkerbungen frei von scharfen Kanten bzw. Übergängen. Das akustikoptimierte Simulationsmodell 4 ist vielmehr durch weich, sanft, wellenartig bzw. fließend ineinander übergehende Flächen gekennzeichnet.
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Konkret unterscheidet sich das akustikoptimierte Simulationsmodell 4 von dem Simulationsmodell 2 vor der Akustikoptimierung durch die geometrische Ausgestaltung eines Flansches 6 bzw. eines Z-Schlages (siehe 9 und 10), die geometrische Ausgestaltung eines Doms 8 (siehe 11 und 12), die geometrische Ausgestaltung eines Übergangsbereichs zwischen einer Grundfläche 14 und einer ebenen Anhöhung bzw. Erhebung 10 und talartige, weich fließende Einkerbungen 12 in der Grundfläche 14 (siehe 13 und 14).
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Der Flansch 6 verläuft vor der Akustikoptimierung gleichförmig. Nach der Akustikoptimierung umfasst der Flansch 6 hingegen eine weiche, wellenförmige bzw. U-förmige Auskerbung bzw. Beule 18.
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Der Dom 8 weist im nicht akustikoptimierten Simulationsmodell 2 eine kreisförmige bzw. runde Grundfläche auf. Nach der Akustikoptimierung ist die Grundfläche des Doms 8 unregelmäßig und einem Oval ähnelnd. Die Mantelfläche des Doms 8 des akustikoptimierten Modells 4 umfasst eine sich in radialer Richtung erstreckende, unregelmäßige, weiche bzw. sanfte Einkerbung.
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Ein Übergangsbereich bzw. ein Wandbereich zwischen der Grundfläche 14 und der Anhöhung 10 ist vor der Akustikoptimierung durchgängig bogenförmig ausgestaltet. Nach der Akustikoptimierung umfasst der Übergangsbereich zwischen der Grundfläche 14 und der Anhöhung 10 eine Auskerbung bzw. Beule 20 mit einem sanften bzw. weichen Verlauf.
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Während die Grundfläche 14 des akustikoptimierten Simulationsmodells 4 talartige, weich fließende Einkerbungen 12 bzw. Auskerbungen umfasst, ist die Grundfläche 14 des Modells 2 vor der Akustikoptimierung eben bzw. gleichmäßig flach ausgestaltet.
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In 19 ist ein Simulationsmodell eines Federbeindoms 2 eines Kraftfahrzeugs nach einer numerischen Strukturoptimierung dargestellt.
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Der Federbeindom 2 umfasst eine Grundfläche 50, eine Seitenfläche, einen mittig auf der Grundfläche 50 vorstehenden Vorsprung 54 und Rippen 40 ,42, 44, 46, 48.
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Während Rippen vor der numerischen Strukturoptimierung orthogonal auf der Grundfläche 50 angeordnet waren, in Rippen-Längserstreckung eine gleiche Höhe und Breite aufweisen und mit benachbarten Rippen jeweils einen gleichen Winkel einschließen, sind die Rippen 40, 42, 44, 46, 48 unregelmäßig angeordnet und ausgestaltet, so dass diese zumindest teilweise keiner regelmäßigen Form und/oder Anordnung folgen.
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Insbesondere sind manche der Rippen 40, 42, 44, 46, 48 zumindest teilweise nicht orthogonal auf der Grundfläche 50 angeordnet, d.h. ein von den Rippen 40, 42, 44, 46, 48 und der Grundfläche 50 eingeschlossener Winkel ist größer 0° und kleiner 90°.
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Die Wandstärken der Rippen 40, 42, 44, 46, 48 unterscheiden sich von den Wandstärken der anderen Rippen 40, 42, 44, 46, 48.
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Die Rippen 40 und 48 weißen jeweils eine sich über die Rippen-Längserstreckung verändernde Wandstärke auf.
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Wie aus den in den 20 bis 23 dargestellten Seitenansicht der Rippen 40, 42, 44 bzw. 46 ersichtlich ist, haben die Rippen 40, 42, 44, 46 jeweils eine sich in Rippen-Längserstreckung verändern Höhe. Die Höhenveränderung folgt keiner definierten geometrischen Form.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Simulationsmodell vor der Akustikoptimierung
- 4
- akustikoptimiertes Simulationsmodell
- 6
- Flansch
- 8
- Dom
- 10
- Anhöhung
- 12
- Einkerbung
- 14
- Grundfläche
- 16
- Scheibenheber-Motor-Anbindungsfläche
- 18
- Auskerbung
- 20
- Auskerbung
- 22
- Simulationsmodell eines ersten dreidimensionalen Bauteils vor einer Parameter-Optimierung
- 24
- Simulationsmodell eines ersten dreidimensionalen Bauteils nach der Parameter-Optimierung
- 26
- Simulationsmodell eines zweiten dreidimensionalen Bauteils vor einer Form-Optimierung
- 28
- Simulationsmodell eines zweiten dreidimensionalen Bauteils nach der Form-Optimierung
- 30
- Simulationsmodell eines dritten dreidimensionalen Bauteils vor einer Topologie-Optimierung
- 32
- Simulationsmodell eines dritten dreidimensionalen Bauteils nach der Topologie-Optimierung
- 34
- Aussparung
- 36
- formoptimierte Aussparung
- 38
- Simulationsmodell eines Federbeindoms
- 40
- Rippe
- 42
- Rippe
- 44
- Rippe
- 46
- Rippe
- 48
- Rippe
- 50
- Grundfläche
- 52
- Seitenfläche
- 54
- Vorsprung
- 56
- erstes Strukturelement
- 58
- zweites Strukturelement
- 60
- drittes Strukturelement
- 62
- Aussparung
