Optimierung dynamisch belasteter Leichtbaustrukturen

Leichtbau, Betriebsfestigkeit, Strukturdynamik

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In allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus und der Mobilitätsbranche steigen die Anforderungen an das Schwingungsverhalten von Bauteilen und Strukturen. Gleichzeitig müssen Produkte im Sinne des Leichtbaus optimiert werden und dennoch eine hinreichende Lebensdauer garantieren. Die Optimierung der Strukturdynamik einerseits und die Bewertung der Lebensdauer andererseits werden in der Regel voneinander entkoppelt betrachtet. Das Fraunhofer LBF entwickelt in dem Forschungsprojekt DuraDyn eine Methodik zur numerischen Optimierung von Leichtbaustrukturen unter Berücksichtigung der Strukturdynamik und der Lebensdauer, von der besonders mittelständische Unternehmen profitieren können.

One-face-to-the-customer-Prinzip

Das Fraunhofer LBF wird von seinen Kunden als bewährter Partner in den Bereichen Schwingungstechnik und Betriebsfestigkeit geschätzt und als strategischer Partner für Leichtbau und Nachhaltigkeit wahrgenommen. Um nachhaltige Produkte zu entwickeln und Leichtbaupotentiale zu heben, müssen sowohl die Strukturdynamik als auch die Betriebsfestigkeit von Strukturen gleichzeitig betrachtet und optimiert werden. Für beide Fragestellungen gibt es am Institut langjährige Expertise und etablierte Werkzeuge, die in der Regel jedoch separat eingesetzt werden. Da insbesondere für mittelständische Unternehmen die Strukturoptimierung und die Lebensdauerbewertung technisch und betriebswirtschaftlich miteinander gekoppelt und personell verknüpft sind, wird nun im Rahmen des Projektes DuraDyn ein Tool entwickelt, das attraktive Angebote zur ganzheitlichen Optimierung von Produkten ermöglicht. Dadurch kann dem Kundenwunsch zur Umsetzung des »one-face-to-the-customer-Prinzips« nachgekommen werden.

Mehrwert durch Kombination numerischer Methoden

Ziel ist die Entwicklung einer numerischen Methode zur gleichzeitigen Optimierung von Strukturdynamik und Lebensdauer von Bauteilen und Systemen in einem Berechnungsprozess. Dazu wird die parametrische Modellreduktion um die Berücksichtigung modaler Spannungen an kritischen Positionen erweitert. Diese modalen Spannungen werden in die Methoden zur Bewertung der Schwingfestigkeit integriert und eine Methode zur vereinfachten Bewertung von Schweißverbindungen entwickelt. Das Detail der Schweißverbindung wurde bewusst gewählt, da hier eine lokale Bewertung auf Basis von Maximalspannungen und Spannungsgradienten unabdingbar ist, diese Größen aber nicht aus den dynamischen Modellen ermittelbar sind. Die Methoden zur Optimierung dynamischer Systeme werden dann um die Bewertung der Lebensdauer erweitert, sodass beispielsweise geforderte Mindestbetriebsdauern als zusätzliche Randbedingung für die Optimierung angegeben werden können. Die Validierung und Demonstration der Methodik erfolgt anhand industrienaher Anwendungsszenarien, wobei insbesondere Strukturen aus dem Landmaschinenbau betrachtet werden sollen.