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1 Einleitung

Seit dem Wintersemester 2006/2007 wird im CAD/CAE-Labor ein neuer Modul angeboten, der sich mit der Optimierung von Bauteilstrukturen beschäftigt. Für die Erweiterung der Ausbildung der Studierenden wird die Software TOSCA eingesetzt. Das System ist eng mit UNIGRAPHICS gekoppelt. Das neue System soll den Studierenden einen Einblick in die Möglichkeiten der Strukturoptimierung mechanisch beanspruchter Bauteile geben, unter Verwendung der Optimierungssoftware „TOSCA“ der Firma FE-Design.

Nachdem das System im Wintersemester im Rahmen der Lehrveranstaltung „Bauteiloptimierung“ erfolgreich eingesetzt wurde, ist zukünftig geplant, die Bauteiloptimierung schon in die FEM-Grundausbildung (Bachelor) zu integrieren und ebenso im Fach „Bauteilberechnung und Simulation“ im Masterstudiengang Mechatronik.

Erwähnt werden sollte an dieser Stelle, dass der Kauf der Software aus Studiengebühren mit finanziert wurde. Die positiven Erfahrungen der Studierenden im Wintersemester haben dazu beigetragen. Ein positives Beispiel dafür, wie Studiengebühren im Hinblick auf den Einsatz innovativer Technologien dazu beitragen, die Qualität der Lehre nachhaltig zu verbessern.

2 TOSCA

Das Programm TOSCA ermöglicht eine parameterfrei Optimierung von Bauteilen mit beliebigen Belastungen und Randbedingungen, wobei als Basis für die Strukturoptimierung ein FE-Modell des Bauteils dient. Eine erneute Modellierung des Bauteils ist nicht notwendig, da mit TOSCA eine direkte Übergabe der Dateien zurück in das FE-System möglich ist. Die Bauteilbeanspruchungen werden in jedem Optimierungsschritt durch eine erneute FE-Berechnung ermittelt, es handelt sich demnach um einen iterativen Prozess. Durch Algorithmen, die auf mechanischen Qualitätskriterien basieren, wird eine schnelle Optimierung realisiert, eine zuverlässige Auslegung und Entwicklung von innovativen Komponenten wird dadurch möglich.

Mit TOSCA sind Topologie-, Gestalt- und Sickenoptimierungen durchführbar. Zusammen mit geeigneter FE- und CAD-Software und durch den modularen Aufbau kann eine geschlossen Prozesskette realisiert werden, vom ersten Konzept bis zum fertigen Komponente. Im Folgenden werden kurz die Module vorgestellt.

2.1 TOSCA.topology

Das Topologie-Modul ermöglicht es dem Konstrukteur, nach Vorgabe eines gewünschten Bauteils  oder eines möglichen Bauraumes, das optimale Design für eine Komponente berechnen zu lassen, wobei verschiedenste Lastfälle und Randbedingungen Berücksichtigung finden. Aufbauend auf diesem Vorschlag kann im CAD-System die Detailkonstruktion vorgenommen werden. Neben vielen weiteren Optionen ist es z.B. möglich, Designvorschläge unter Berücksichtigung gewünschter Fertigungsverfahren
abzurufen.

2.2 TOSCA.shape

Mit Hilfe des Shape-Moduls kann die Gestalt bereits existierender Bauteile unter Einhaltung von Zielformulierungen, z.B. Gewicht, Wandstärke, Rotationssymmetrie oder Fertigungsforderungen wie Stanzbarkeit optimiert werden, um eine Spannungsreduzierung zu erzielen /1/.

2.3 TOSCA.bead

Dieser Modul berechnet aus einfachen Blechteilen Sicken, die diesen Blechteilen eingeprägt werden können und so eine wesentlich höhere Festigkeit aufweisen.

3 Ziel des Einsatzes

Ziel ist es, den Studenten einen Einblick in die Möglichkeiten einer Optimierungssoftware zu geben. Aufbauend auf den Kenntnissen und dem Wissen aus dem FE-Praktikum soll den Studenten anhand von geeigneten Beispielen die Anwendung und das Verständnis für Optimierungsaufgaben vermittelt werden..

Zunächst müssen die Bauteilgeometrien mit Unigraphics modelliert, die notwendigen Randbedingungen festgelegt und die FE-Berechnung der Bauteile durchgeführt werden. Nach dem Einladen der FE-Dateien werden die Bauteile Topologie- und Shape-Optimierungen unterzogen, d.h. es werden Optimierungen bzgl. ihres Volumens, ihres Gewichtes oder der Beanspruchung durchgeführt. Nachdem der Optimierungsvorgang abgeschlossen ist, werden die Ergebnisse von den Studenten begutachtet und interpretiert.

Neben der Betrachtung der Ergebnisse in TOSCA kann die Ergebnisdatei auch wieder in UNIGRAPHICS eingeladen werden, da die Analyse in TOSCA nur hinsichtlich des eingestellten Optimierungsparameters erfolgt und in UNIGRAPHICS auch alle anderen Parameter sichtbar werden.

Nachdem die Studierenden anhand der Beispiele einen Überblick über die Funktionen der Software erlangt haben, muss zum Abschluss der Lehrveranstaltung selbständig ein Bauteil modelliert, berechnet und optimiert werden, mit anschließender Interpretation und Dokumentation der Ergebnisse.

4 Optimierungsbeispiele

Bild 3 zeigt das Ergebnis der FE-Berechnung eines Bauteils. Dieses Modell wurde in TOSCA eingelesen und hinsichtlich des Volumens optimiert. Vorgegeben wurde dabei, dass die Bohrungsdurchmesser sowie die Dicke des Bauteils nicht verändert werden durften. In Bild 4 ist das Ergebnis der Optimierung dargestellt. Es wurde eine Volumenreduzierung von 5% erreicht, indem das Bauteil in der Mitte, an der gering beanspruchten Stelle, eingeschnürt wurde. In dem Bereich um die Bohrungen herum wurde das Bauteil geringfügig aufgedickt, um die zulässigen Beanspruchungen nicht zu überschreiten.

5 Integration in den Konstruktionsprozess

Bei der Topologie- und Gestaltoptimierung wird der Bauraum festgelegt und ein FE-Modell erstellt. Mit Hilfe der Topologieoptimerung wird ein Designvorschlag erstellt, der mittels Flächenrückführung zu einer Neumodellierung des CAD-Modells führt. Nach einer entsprechenden Gestaltoptimierung liegt das Bauteil in optimaler Form vor.