9/10 - Verein österreichischer Gießereifachleute

GIESSEREI-RUNDSCHAU 54 (2007) HEFT 9/10
zess der Bauteilauslegung ein. Die Verwendung von realen Last-Zeit-
Verläufen führt zur optimalen Abstimmung der Konstruktion auf spätere
Einsatzbedingungen. Die Ermittlung von repräsentativen Lastverteilungen
erübrigt sich. Dies führt zu einer raschen und sichereren
Aufbereitung der Optimierungsaufgabe. Vor allem bei mehrachsig
dynamisch beanspruchten Bauteilen bietet sich der Einsatz von Betriebsfestigkeitsprogrammen
wie etwa FEMFAT an. Mit dieser Methode
können die Einflüsse von sich stochastisch verändernden statischen
und dynamischen Lasten entsprechend bewertet werden. Die
Art der Beanspruchung (Zug, Druck, Schub) wird dabei implizit zu jedem
Zeitpunkt entsprechend bewertet. Das Verfahren funktioniert
sowohl bei der Form- als auch bei der Topologieoptimierung.
An folgendem Beispiel soll gezeigt werden, wie Strukturoptimierung
in virtuellen Produktentwicklungsprozessen effizient eingesetzt werden
kann.
Die Ausgangsgeometrie dieser Optimierung ist ein Querlenker, der
durch die Erfahrung von Ingenieuren bereits voroptimiert zur Verfügung
stand. In Bild 2-1 sind die Ergebnisse der Dauersicherheitsrechnung
der Basisvariante dargestellt. Als Optimierungskriterien
wurden
l gleiche minimale Dauersicherheitswerte
l gleiche statische Festigkeit
l gleiche Knicksteifigkeit
l Reduktion der Masse um 15%
festgelegt. Als weitere Vorgabe ist der zur Verfügung stehende Bauraum
zu definieren, siehe Bild 2–2. Jene Bereiche der Struktur, die
unverändert bleiben müssen, wie zum Beispiel Lagerstellen etc., werden
als sogenannte „Frozen Areas“ definiert. In Abhängigkeit der zu
erreichenden Zielfunktion nimmt der Algorithmus an niedrig belasteten
Stellen Material weg.
In diesem Fall beinhaltet die Optimierungsschleife FE-Analysen mit
MSC NASTRAN, Dauersicherheitsrechnung in FEMFAT und Optimierung
mit TOSCA.
1 Sicherheiten Basisvar. 2 Mögl. Bauraum
3 Optimierte 3D CAD 4 Sicherheiten optimiert
Wesentlichen keine Schwierigkeiten bereitet, stellt sich die Bewertung
der Materialparameter als sehr komplex heraus.
Die Materialeigenschaften von Gussstrukturen sind durchwegs stark
prozessabhängig. Der Fokus der Grundlagenforschung, wie Prozessparameter
bestmöglich in die Simulation integriert werden können,
richtet sich daher vorwiegend auf die Identifikation mikroskopischer
Materialgrößen.
In wie weit Materialparameter von Aluminiumguss-Strukturen vom
Herstellprozess beeinflusst sind und wie diese Parameter in die Ermüdungsrechnung
integriert werden können, ist Gegenstand des folgenden
Abschnitts.
Die Berechnung der Betriebsfestigkeit gegossener Bauteile wird derzeit
noch häufig unter der Annahme örtlich konstanter mechanischer
Eigenschaften durchgeführt. In der Praxis weisen Gussbauteile
jedoch, bedingt durch den Herstellungsprozess, eine inhomogene
Verteilung der mechanischen Eigenschaften auf. Jene von Aluminiumgussteilen
werden zum einen durch das Gefüge und zum anderen
durch die prozessbedingten Fehler wie Gasporositäten, Oxideinschlüsse
und Verunreinigungen, bestimmt. Metallurgische Prozesse
zur Gefügebehandlung wirken sich näherungsweise gleichmäßig
auf die mechanischen Eigenschaften des gesamten Bauteils
aus, während der Gießprozess für sich die Materialparameter lokal
verändert. So z.B. beeinflussen lokale Erstarrungsbedingungen den
Dendritenarmabstand (DAS) sowie die Größe und Verteilung der
Porosität [2].
Herstellungsprozesse, wie Sand- und Kokillengießverfahren, sind gekennzeichnet
durch moderate Abkühlgeschwindigkeiten, während
beim Druckguss sehr hohe Abkühlraten erzielt werden. Dadurch bildet
sich bei Druckgussteilen eine nahezu porenfreie Gusshaut aus,
die wiederum durch besondere mechanische Eigenschaften charakterisiert
ist (siehe später).
Sekundärer Dendritenarmabstand als
Kenngröße für mechanische Eigenschaften
vonAluminiumgussteilen
Für Bauteile, die im Sandguss- oder Kokillengießverfahren hergestellt
werden, wurde mit dem sekundären Dendritenarmabstand (SDAS)
eine Gefügekenngröße gefunden, die eine brauchbare Korrelation zu
den entsprechenden mechanischen Eigenschaften zeigt [1,2]. Der
sekundäre Dendritenarmabstand ist dabei der Abstand zwischen
zwei benachbarten sekundären Dendritenarmen, Bild 3. Während
die Korngröße von der Anzahl der vorhandenen Keime abhängt,
wird der SDAS beinahe ausschließlich von der lokalen Abkühlgeschwindigkeit
beeinflusst.
Bild 2: Strukturoptimierung eines Querlenkers
Ist die Zielvorgabe unter Einhaltung aller Nebenbedingungen erreicht,
wird die Rohstruktur geglättet (Smoothing). Anhand dieses
Vorschlags wird ein umsetzbares Design vom Ingenieur konstruiert,
siehe Bild 2–3. Als Ergebnis des gesamten Optimierungsvorganges
liegt der Querlenker laut Bild 2–4 vor. Dabei konnte die Masse um
die vorgegebenen 15% reduziert werden, während die Dauersicherheitswerte
und Steifigkeiten wie gefordert gleich blieben.
Einflüsse aus Gussprozessen und deren
Berücksichtung in der virtuellen Produktentwicklung
Während bei Gussbauteilen die Genauigkeit der geometrischen Information
und die Abschätzung der Oberflächenbeschaffenheit im
Bild 3: Definition des SDAS aus [3]
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