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Formoptimierung von Bauteilen auf der Basis von FEM-Berechnungen - die CAO-Methode
Kurze Entwicklungszyklen bei gleichzeitig steigenden Produktanforderungen zwingen die Konstrukteure, bereits in der Vorentwicklung computergestuetzte Verfahren einzusetzen, um eventuelle Schwachstellen einer Konstruktion erkennen zu koennen.
Bei Festigkeitsproblemen steht mit der Methode der Finiten Elemente ein leistungsfaehiges Berechnungsverfahren zur Verfuegung, um die durch die aeusseren Lasten auftretenden Bauteilbeanspruchungen zu ermitteln und Bereiche hoher Beanspruchungen zu lokalisieren. Die Absenkung der kritischen Beanspruchungen auf ein zulaessiges Mass kann in den meisten Faellen durch konstruktive Änderungen des Bauteils erreicht werden.
Die Änderung einer Konstruktion fuehrt allerdings dazu, dass das bestehende FE-Eingabemodell modifiziert bzw. voellig neu aufgebaut werden muss, was bisweilen mit einem nicht unerheblichen Arbeitsaufwand und somit mit erheblichen Kosten verbunden ist.
Durch den Einsatz der CAO-Methode [1] (Computer Aided Optimization) entfaellt die Anpassung des FE-Eingabemodells an eine veränderte Bauteilgeometrie, da die Methode eigenständig das FE-Modell der Ausgangskonstruktion in frei zu definierenden Bereichen derart veraendert, dass Spannungsueberhoehungen abgebaut werden, bzw. nahezu voellig verschwinden.
Formoptimierung eines Getriebewelleneinstichs unter Biegebelastung
Das System optimiert die Struktur dabei nach dem Axiom der konstanten Spannung, d.h. die Bauteilgestalt wird so lange verändert, bis die gesamte Struktur einen einheitlich (niedrigen) Spannungswert aufweist. Im Idealfall kann eine Struktur ohne Spannungsueberhoehung entwickelt werden.
Dabei ist sowohl ein "Wachsen" (Materialzunahme) an kritischen Stellen, als auch ein "Schrumpfen" (Materialabnahme) des Bauteils an nicht ausgenutzten Bereichen im Sinne des Leichtbaus möglich. Selbst bei ausgereiften Konstruktionen ist mit der CAO-Methode eine Beanspruchsabsenkung von ca. 30% moeglich.
[1] C. Mattheck: Engineering components growing like trees. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 21 (1990)
Kontakt
Institut fuer Maschinelle Anlagentechnik und Betriebsfestigkeit Leibnizstraße 32, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Fax: (05323) 72-3516 Prof. Dr.-Ing. H. Zenner, Tel: (05323) 72-2201 Dipl.-Ing. R. Staeblein, Tel: (05323) 72-2156
Criteria of this press release:
Materials sciences, Mechanical engineering
transregional, national
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