Untersuchung der Steifigkeitsanbindung für die systembasierte Komponentenoptimierung

Titelangaben

Billenstein, Daniel ; Rieg, Frank:
Untersuchung der Steifigkeitsanbindung für die systembasierte Komponentenoptimierung.
In: Brökel, Klaus ; Stelzer, Ralph ; Rieg, Frank (Hrsg.): 15. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2017 : Interdisziplinäre Produktentwicklung. - Duisburg : Universität , 2017 . - S. 49-57 . - (Schriftenreihe Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik ; 1 )
ISBN 978-3-940402-15-8

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Abstract

Die Berücksichtigung von angrenzenden Bauteilen und die daraus resultierende Kontaktproblematik in der Finite Elemente Analyse (FEA) ist eine große Herausforderung für die Konditionierung des Gleichungssystems. Derartige Probleme haben auch in der Topologieoptimierung bei der Abbildung des elastischen Umfeldes und somit bei der systembasierten Komponentenoptimierung eine große Relevanz. Insbesondere wenn das Optimierungsziel die Maximierung der Steifigkeit ist, ergeben sich numerische Instabilitäten, die strengere Anforderungen an die zu wählenden Kontakteinstellungen erfordern. Zur Vermeidung dieses Effektes können in der FE-Modellbildung Koppelbedingungen eingesetzt werden, welche ebenfalls die Freiheitsgrade mehrerer Knoten benutzerdefiniert verbinden können, jedoch ist dabei eine höhere numerische Stabilität gegeben. Diese Art der Modellierung erlaubt zudem die Anbindung von Steifigkeiten, welche auf einen oder wenige Punkte reduziert wurde, wodurch eine klassische Kontaktsimulation nicht mehr möglich ist. Die dazu durchgeführten FE-Untersuchungen zeigen Modellierungsstrategien mit Koppelbedingungen, die deren Potential zur Anbindung von Steifigkeiten bestätigen und teils nur geringe Abweichungen zu den jeweiligen Referenzlösungen aufweisen. Allerdings treten in Kontaktnähe, wie bei einer klassischen Kontaktberechnung, unerwünschte Effekte (z. B. Einschnürungen) auf. Daraus resultierend eignen sich Koppelbedingungen vor allem bei der Anbindung reduzierter Steifigkeiten.

Abstract in weiterer Sprache

Considering adjacent parts in finite element analysis (FEA) leads to a contact problem, which is a big challenge for the condition of the system of linear equations. The same problem also applies for topology optimization. In the so called system-based part optimization numerical instabilities occur, especially if the optimization target is set to stiffness maximization. In this case the product developer has to choose the contact parameters much more carefully.
To avoid this effect you can build the finite element model using couplings, which also enable the user-defined linkage of several nodes’ degrees of freedom. Couplings moreover allow the connection of parts, which are reduced to one or few points, which cannot be done in a classic contact simulation.
The executed investigations on modeling strategies with couplings yield only small deviations from the particular reference solutions, which confirms their potential to connect stiffnesses. However in the contact zone unwanted effects (e.g. neckings) occur, like they do in a contact simulation. According to this, couplings are primarily qualified for the connection of reduced stiffnesses.