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Strukturoptimierung – Wie Sie durch Bauteiloptimierung erhebliche Kosten sparen !

Die innere Struktur eines technischen Bauteils beschreibt alle seine Elemente und ebenso ihre jeweiligen Interaktionen. Die Strukturoptimierung ist somit essenziell für die Bauteiloptimierung und umfasst die folgenden drei hierarchisch angeordneten Stufen: die Topologieoptimierung, die Formoptimierung und die Querschnittsoptimierung. Der Industriestandard für die Durchführung dieser Berechnungen ist die Finite Elemente Methode FEM.

strukturoptimierung
Strukturoptimiertes Bauteil

Topologieoptimierung

Die Topologie eines Bauteils wird auch als dessen Grundgestalt bezeichnet. Damit wird seine Struktur beschrieben, die sich auch unter verschiedenartigen Verformungen nicht verändert. Grundsätzlich sind damit charakteristische Löcher und Hohlräume in einem Element gemeint, nicht jedoch deren Abmessungen und Ausprägungen. Ein Ring und eine Tasse mit Henkel haben somit die gleiche Gestalt. Unabhängig von den Details und Maßen und vor allem auch nach einer Verformung wie Biegung oder Streckung.

In der Bauteilentwicklung spielt die rechnergestützte Optimierung der Topologie oder Gestalt eine wichtige Rolle. Sie wird meistens noch am Anfang des Konstruktionsprozesses eingesetzt, um Ideen für eine sinnvolle Form zu erhalten. Eine intelligente Wahl bei der Gestalt kann Material und dementsprechend später Bauteilgewicht und Materialkosten einsparen. Eingespeist werden sämtliche Informationen über den geometrischen Raum, den das Element später im Betrieb maximal einnehmen darf, über die Einspannungen und die Belastungen. Aus diesen Eingangsgrößen werden mithilfe von zahlreichen Simulationsläufen grundsätzlich optimale Gestalten für das Bauteil ermittelt, die den wirkenden Kräften am besten standhalten. Diese dienen dann als Ausgangslage für die weiteren Konstruktionsschritte. Die Optimierung der Topologie stellt die flexibelste Optimierungsstufe dar.

Formoptimierung

Bei dieser Art der Optimierung der Struktur eines Bauteils, im Englischen “Shape Optimal Design“, geht man hierbei von einer bereits festgelegten Topologie aus. Die Ergebnisse der Topologieoptimierung weisen allerdings oft einen heterogenen Spannungsverlauf auf, der sich durch die Optimierung der Form homogenisiert. Das Modell kann jetzt auf eine bestimmte Eigenschaft hin optimiert werden. Dies geschieht durch eine Veränderung der Oberfläche, durch die Variation von vor allem geometrische Größen. Darüber hinaus ist es möglich, Winkel zu vergrößern und ebenso auch zu verkleinern und einzelne Elemente zu verlängern oder auch zu verkürzen. Für diese Art der Simulation wendet man ebenfalls die Finite Elemente Methode an.

Querschnittsoptimierung

Bei diesem Ansatz zur Bauteiloptimierung, bezeichnet auch als „sizing“, sind die Topologie und die Form bereits festgelegt. Die zu verändernden Variablen sind dann nur noch Werte wie die Dicke, die Querschnittsfläche oder das Trägheitsmoment der einzelnen Elemente.

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