entwicklung einer tragenden struktur für ein eco-car in ... · in hypermesh keine geeignete...

Professur Strukturleichtbau und

Kunststoffverarbeitung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll 1

„Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in

CFK-Monocoque-Bauweise mittels Topologie- und

Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct“

Quelle: www.fortis-saxonia.de

Motivation

Aufbau des FEM-Modells

Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden

Topologieoptimierung von Sax 3

Laminatoptimierung von Sax 3

Zusammenfassung

Dipl.-Ing. Stefan Demmig, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll



Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll

Studentischer Forschungsverein Fortis Saxonia e.V.

Jährliche Teilnahme am Shell Eco-Marathon seit 2005

Verbrauchswerte aller Kraftstoffarten auf km/l Superbenzin umgerechnet

Rekord von Fortis Saxonia liegt bei 2552 km/l

Hervorragendes Ergebnis nur bei Optimierung aller Einflussfaktoren

Hoher Wirkungsgrad im Antriebsstrang mit Brennstoffzelle und Elektromotor

Niedriger Luft- und Rollwiderstand

Geringes Gewicht

Material und Gewichtseinsparung auch wirtschaftlich interessant

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Motivation

Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels

Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct




Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der

Prototypen-Klasse

Motivation


Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct 3

Sax 1: 2005/2006






Prototypen-Klasse

Motivation



Sax 2: 2007






Prototypen-Klasse

Motivation



Sax 3: seit 2008





Aerodynamischer Maßanzug für die Fahrerin

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Motivation



CAD-Modell von Sax 3 mit Fahrerin




Allgemeine Vorgehensweise




Topologieoptimierung

(Formoptimierung)

„Freesize“-Optimierung

„Size“-Optimierung

Optimierung der Stapelungsreihenfolge

Festigkeitsnachweis




d

Charakteristische Größen der Optimierung

Analysemodell des Problems, z.B. FEM-Modell

Entwurfsraum (Designspace): Elemente des Balkens

Entwurfsvariable (Desvar): Dicke d des Balkens

Zielfunktion (Objective): minimiere Masse

Zustandsvariable (Response): Masse, Verschiebung u

Restriktion (Designconstraint): umax

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Geradeaus

Massen als Belastung unter vertikaler Gravitation

Reaktionskräfte an Aufstandspunkten der Räder auf der Straße

3 ge Lastfall zur Erfassung von Stoßbelastungen

Kurvenfahrt

Vertikale Gravitation + Radialbeschleunigung

Definition über Kurvenmittelpunkt und Rotationsgeschwin-

digkeit bei 30 km/h

Geradeaus mit Bremsen

Vertikale Gravitation + horizontale Gravitation entsprechend

maximaler Bremsverzögerung

Ein Lastfall für jede Achse

Ungebremste Achse jeweils in Fahrtrichtung frei beweglich

Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle




Ein- und Aussteigen

Aufstützen auf der Seitenwand als Summe von Einzelkräften





Ein- und Aussteigen

Tritt auf Sitzfläche als Flächenlast





Überrollbügeltest

Konzentrierte Einzelkraft (750 N) auf Trennwand





Gurttest

Je ein Lastfall pro Gurt

Mindestens 1,5faches Fahrergewicht je Gurt

Einzelkräfte für die Tests der Gutbefestigungen





Aufbau des FEM-Modells - Geometrie

Modellierung der gelenkten Hinterradaufhängung

5 Zug-/Druckstreben mit Kugelgelenken

ermöglichen räumliche Bewegung zur

Realisierung der Lenkbewegung

Geometrieänderung zwischen den Last-

fällen jeder Zustand modelliert mit

RBE2- und CROD-Elementen

nur der Zustand der im

jeweiligen Lastfall einge-

spannt ist leitet Kräfte in

die Struktur




Isotrope Modellierung

• Noch keine Anhaltspunkte zum Ausrichten der Anisotropie vorhanden

• Quasiisotropes Laminat möglich

Unterschale und Trennwand komplett als Sandwich modelliert

• Zwei 0,75 mm Lagen CFK Schalenelemente

• Kern aus 10mm Wabenmaterial Volumenelemente

Zielgewicht als Restriktion

Maximierung der Steifigkeit (Minimize Compliance) als Zielfunktion

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Sandwich aus Schalen- (violett) und Volumenelementen (blau)




Optimierte Wabentopologie

Bereiche mit einer virtuellen Dichte unter 45% wurden ausgeblendet

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Optimierte Wabentopologie – Umsetzung in ein CAD-Modell

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Anisotrope Modellierung des Laminats

Wabe weiterhin isotrop

Konkrete Stapelung spielt noch keine Rolle nur 4 UD-Lagen

modelliert mit 0°/90° und ±45°

„Freesize“-Optimierung




Faserverbundelemente mit „Freesize“-Optimierung

Freesize“- und „Size“-Optimierung

Geometrische Abmessungen als Entwurfsvariablen

Unterschiedliche Reichweite der Variablen

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Laminatoptimierung Sax 3



Faserverbundelemente mit „Size“-Optimierung




Eingesetzte Kohlefaserprepregs besitzen:

Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit

Extreme Anisotropie korrekter Materialorientierung im FEM-Modell

kommt hohe Bedeutung zu

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Blau: RGB 50/100/150

Elastizitätsmodul in 1.000 MPa

0

10

20

30

40

50

60

700°

90°

180°

270°

315°45°

225°135°

Elastizitätsmodul in 1.000 MPa

0

20

40

60

80

100

120

1400°

90°

180°

270°

315°45°

225°135°

Zugsteifigkeit von KGBX 2508 Zugsteifigkeit von KGBX 2707







Materialorientierung von Schalenelementen nach der Vernetzung

Winkelangaben auf Materialorientierung der Elemente bezogen

In HyperMesh keine geeignete Methode Elemente auf gekrümmten Flächen zu

orientieren eigenes Makro richtet Elementorientierung mit Hilfe von

Linien aus




Die Drapierbarkeitsanalyse in CATIA liefert ein Gitternetz

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Linien aus




Elementorientierung nach der Ausführung des Makros

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Linien aus




Optimierte Lagendicke in Draufsicht

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2 mm

0 mm

Faserorientierung





25




2 mm

0 mm

Faserorientierung





26




Faserorientierung

2 mm

0 mm




Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von außen

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Faserorientierung 0°bezogen auf

lokale Strukturen

2 mm

0 mm




Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen

(Schnitt durch yz-Ebene)

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Faserorientierung 0°bezogen auf

lokale Strukturen

2 mm

0 mm




Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen

(Schnitt durch yz-Ebene)

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Faserorientierung -45°bezogen

auf lokale Strukturen

2 mm

0 mm




Funktionstüchtige Konstruktion auf der Basis dieser

Studienarbeit

Ca. 1/3 strukturelles Gewicht eingespart gegenüber

Vorgängerfahrzeug

Seit 2008 Teilnahme am Shell Eco-Marathon mit Sax 3

Keine strukturellen Schäden trotz Überschlag 2008

Feinoptimierung unter Beachtung von

Fertigungsrandbedingungen birgt weiteres

Einsparpotential

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Zusammenfassung






Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

31 Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels






Dipl.-Ing. Stefan DEMMIG

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Fachgruppe: Berechnung, Simulation und Auslegung

E-Mail: [email protected]

Dienstsitz:

Reichenhainer Str. 70, Zimmer: 229

Postadresse:

Technische Universität Chemnitz

Fakultät für Maschinenbau

Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung

D-09107 Chemnitz

www.strukturleichtbau.net

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Kontakt



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