Optimierung dynamisch belasteter Leichtbaustrukturen

In allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus, sowie ebenso in den Mobilitätsbranchen, 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 im Forschungsprojekt DuraDyn eine Methodik zur numerischen Optimierung von Leichtbaustrukturen unter Berücksichtigung der Strukturdynamik und der Lebensdauer, die insbesondere mittelständischen Unternehmen zugutekommen soll.

One-face-to-the-customer-Prinzip

Das Fraunhofer LBF wird von seinen Kunden als bewährter Partner in den Bereichen Schwingungstechnik und Betriebsfestigkeit geschätzt und zunehmend 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 und Baugruppen 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 und effizienten Optimierung ihrer Produkte ermöglicht. Dadurch kann dem Kundenwunsch zur Umsetzung des „one-face-to-the-customer-Prinzips“ nachgekommen werden.

Mehrwert durch Kombination numerischer Methoden

Kern des Projekts 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. Mit diesen modalen Spannungen wird die Lebensdauer über ein Rainflow-Counting und eine anschließende lineare Schadensakkumulation zuverlässig bewertet. Da aufgrund des nicht-linearen Systemverhaltens und trotz der Modellreduktion die Rechenzeiten relevant sind und jede Nachweisstelle eine Erhöhung der Freiheitsgrade darstellt, wird eine zuverlässige Schwingfestigkeitsbewertung mit möglichst wenig Eingangsgrößen benötigt. Dies wird am Beispiel von Schweißverbindungen vorgenommen. Das Detail der Schweißverbindung wurde bewusst gewählt, da hier eine lokale Bewertung auf Basis von Maximalspannungen und Spannungsgradienten unabdingbar ist, diese Größen aber normalerweise nicht aus den reduzierten Modellen ermittelbar sind. Die Methoden zur Optimierung dynamischer Systeme mit passiven und aktiven Maßnahmen (wie beispielsweise Versteifungen, Schwingungstilgern oder Inertialmassenaktoren) 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.

Optimierung einer Leichtbaustruktur

hinsichtlich Lebensdauer kritischer Schweißnähte (links) und Strukturdynamik (rechts) durch Optimierung der Parameter eines Schwingungsttilgers (oben)hinsichtlich Lebensdauer kritischer Schweißnähte (links) und Strukturdynamik (rechts) durch Optimierung der Parameter eines Schwingungsttilgers (oben)

Beispiel einer multikriteriellen Optimierung:

Gegenüber den monokriterielen Optimierungsvarianten zeigt die multikriteriell optimierte Variante eine Verbesserung in allen Dimensionen gegenüber dem Ausgangssystem.