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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
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
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
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der
Prototypen-Klasse
Motivation
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct 3
Sax 1: 2005/2006
Quelle: www.fortis-saxonia.de
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der
Prototypen-Klasse
Motivation
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct 4
Sax 2: 2007
Quelle: www.fortis-saxonia.de
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Hocheffiziente Fahrzeuge für die Teilnahme am Shell Eco-Marathon in der
Prototypen-Klasse
Motivation
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct 5
Sax 3: seit 2008
Quelle: www.fortis-saxonia.de
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Aerodynamischer Maßanzug für die Fahrerin
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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
CAD-Modell von Sax 3 mit Fahrerin
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Allgemeine Vorgehensweise
Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct 7
Topologieoptimierung
(Formoptimierung)
„Freesize“-Optimierung
„Size“-Optimierung
Optimierung der Stapelungsreihenfolge
Festigkeitsnachweis
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
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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Optimierung von Faser-Kunststoff-Verbunden
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
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
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Ein- und Aussteigen
Aufstützen auf der Seitenwand als Summe von Einzelkräften
Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle
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Ein- und Aussteigen
Tritt auf Sitzfläche als Flächenlast
Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle
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Überrollbügeltest
Konzentrierte Einzelkraft (750 N) auf Trennwand
Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle
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Gurttest
Je ein Lastfall pro Gurt
Mindestens 1,5faches Fahrergewicht je Gurt
Einzelkräfte für die Tests der Gutbefestigungen
Aufbau des FEM-Modells - Lastfälle
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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
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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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Topologieoptimierung von Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Sandwich aus Schalen- (violett) und Volumenelementen (blau)
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Kunststoffverarbeitung
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Optimierte Wabentopologie
Bereiche mit einer virtuellen Dichte unter 45% wurden ausgeblendet
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Topologieoptimierung von Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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Kunststoffverarbeitung
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Optimierte Wabentopologie – Umsetzung in ein CAD-Modell
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Topologieoptimierung von Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Professur Strukturleichtbau und
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Laminatoptimierung von Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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
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Faserverbundelemente mit „Freesize“-Optimierung
Freesize“- und „Size“-Optimierung
Geometrische Abmessungen als Entwurfsvariablen
Unterschiedliche Reichweite der Variablen
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Faserverbundelemente mit „Size“-Optimierung
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Eingesetzte Kohlefaserprepregs besitzen:
Hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit
Extreme Anisotropie korrekter Materialorientierung im FEM-Modell
kommt hohe Bedeutung zu
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Laminatoptimierung von Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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
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Die Drapierbarkeitsanalyse in CATIA liefert ein Gitternetz
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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
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Kunststoffverarbeitung
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Elementorientierung nach der Ausführung des Makros
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
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
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Optimierte Lagendicke in Draufsicht
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
2 mm
0 mm
Faserorientierung
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Optimierte Lagendicke in Draufsicht
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
2 mm
0 mm
Faserorientierung
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Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Optimierte Lagendicke in Draufsicht
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Faserorientierung
2 mm
0 mm
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Kunststoffverarbeitung
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Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von außen
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Faserorientierung 0°bezogen auf
lokale Strukturen
2 mm
0 mm
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Kunststoffverarbeitung
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Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen
(Schnitt durch yz-Ebene)
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Faserorientierung 0°bezogen auf
lokale Strukturen
2 mm
0 mm
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Optimierte Lagendicke in Seitenansicht von innen
(Schnitt durch yz-Ebene)
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Laminatoptimierung Sax 3
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Faserorientierung -45°bezogen
auf lokale Strukturen
2 mm
0 mm
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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
Entwicklung einer tragenden Struktur für ein Eco-Car in CFK-Monocoque-Bauweise mittels
Topologie- und Faser-Kunststoff-Verbund-Optimierung in OptiStruct
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
31 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
Professur Strukturleichtbau und
Kunststoffverarbeitung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. L. Kroll
Dipl.-Ing. Stefan DEMMIG
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Fachgruppe: Berechnung, Simulation und Auslegung
E-Mail: stefan.demmig@mb.tu-chemnitz.de
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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