Formula Student: Topologie-Optimierung am Lenkgehäuse

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Beim Konstruieren eines Rennwagens steht immer der Lightweight-Gedanke im Vordergrund. Leichte Konstruktionen sind grundsätzlich über zwei Wege realisierbar: Zum einen kann man Werkstoffe mit einer geringen Dichte verwenden. Dadurch lässt sich ohne großen Aufwand sehr einfach Gewicht einsparen. Eine andere Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung besteht in einer optimierten Bauteilgeometrie.

Bauteile sollten stets so konstruiert werden, dass sie für den Verwendungszweck optimal geeignet sind und somit kein überflüssiges Gewicht auf die Waage bringen. Dies ist vor allem bei größeren Bauteilen mit unterschiedlichen mehrachsigen Lastfällen keine einfache Aufgabe. Hier kommt das Feld der „Topologieoptimierung“ ins Gespräch.

FEM Auslegung des Monocoques

High Speed Karlsruhe, das Formula Student Team der Hochschule Karlsruhe, verwendet die ANSYS Workbench hauptsächlich für die FEM Auslegung des Monocoques aus Carbon-Kern-Sandwichbauweise. Seit dem letzten Update auf Workbench 17.1 bietet ANSYS die Möglichkeit der Topologieoptimierung. Damit ist es möglich, unter Vorgabe des maximalen Bauraums, der angreifenden Kräfte sowie der Lagerbedingungen leichte und gleichzeitig steife Bauteilgeometrien zu ermitteln.

Zunächst muss ein CAD-Modell erstellt werden, das den maximalen Bauraum des Bauteils definiert. In diesem Modell müssen auch alle Lagerstellen und Kraftangriffspunkte abgebildet sein. Im nächsten Schritt müssen die Lastfälle mit den entsprechenden Lagerbedingungen definiert werden. Anschließend wird das Volumenmodell vernetzt. Im letzten Schritt werden die Einstellungen gewählt. Hier muss definiert werden, mit welchem Ziel optimiert werden soll. ANSYS 17.1 bietet die Optimierung nach Gewicht oder nach Steifigkeit unter Einhaltung von Randbedingungen wie Spannungsspitzen oder maximalem Gewicht. Im Anschluss ermittelt der Solver iterativ die optimale Struktur für die zuvor definierten Lastfälle unter Einhaltung der Optimierungsrandbedingungen.

Lenkgehäuse topologisch optimiert

Für das neue Fahrzeug von High Speed Karlsruhe, den F-111, wurde diese Saison das Lenkgehäuse topologisch optimiert. Die Hauptaufgabe des Lenkgehäuses liegt im Führen und Abstützen der Lenkwelle. Außerdem wird das Kardangelenk daran befestigt. Des Weiteren werden über das Lenkgehäuse Lenkkräfte sowie extern angreifende Kräfte abgeleitet.

Zunächst wurde ein Bauraummodell erstellt. Der Bauraum für das Lenkgehäuse wird im Fahrzeug hauptsächlich von den inneren Abmaßen des Monocoques eingeschränkt. Neben den Außenabmaßen muss zusätzlich der Bereich der Lenkwelle im Bauraummodell freigehalten werden. Außerdem sind die Anbindungspunkte im Monocoque bereits definiert und müssen daher auch im Bauraummodell berücksichtigt werden.

Drei Lastfälle 

Für die mechanisch statische Analyse, die vor einer jeden Topologie-Optimierung stattfindet, wurden drei Lastfälle definiert. Zum einen treten hohe Kräfte an den Lenkanschlägen auf, also beim maximalen Einlenken in Kurven. Zug- und Druckkräfte auf die Lenkwelle müssen ebenfalls vom Lenkgehäuse aufgenommen werden. Außerdem muss der Lastfall abgedeckt werden, wenn sich der Fahrer bei einem Notausstieg auf dem Lenkrad abstützt. Gelagert wird das Lenkgehäuse über fünf Stellen im Monocoque. An vier dieser Stellen sind Inserts ins Monocoque einlaminiert und können daher als fixierte Lagerung Kräfte in alle Richtungen abführen; eine Lagerstelle kann lediglich in der Ebene Kräfte aufnehmen.

Nach der Vernetzung müssen im Reiter „Topologie-Optimierung“ die Randbedingungen für die Optimierung angegeben werden. Für das Lenkgehäuse wurde als Optimierungsziel die Minimierung der Nachgiebigkeit (minimize compliance) angestrebt. Über den Reiter „Masseantwort“ kann der maximale Masseanteil vom Bauraummodell, den die Endstruktur aufweisen soll, angegeben werden.

Design-Validierung auf maximale Verformungen/Spannungen

Im Anschluss an die Topologie-Optimierung muss eine Design-Validierung auf maximale Verformungen/Spannungen durchgeführt werden. Dies erfolgt über eine Umwandlung der Ergebnisstruktur in einen Volumenkörper. Dieser wird anschließend erneut in eine statisch-mechanische Analyse in die Workbench geladen und mit den zuvor definierten Lastfällen belastet. Bei diesen Kontrollsimulationen mit den unterschiedlichen Versionen überzeugte die Variante mit fünf Prozent Masseanteil am besten.

Im Anschluss an diese Kontrollsimulation kann das Bauteil mit kleineren konstruktiven Änderungen in die Fertigung gehen. Beispielsweise wurde die noch etwas wellige Oberfläche nachträglich noch etwas geglättet. Außerdem sind die Wandstärken an den Verschraubungspunkten angepasst und die Passflächen nachkonstruiert worden. Diese wurden durch die Umwandlung in einen Volumenkörper etwas ungenau. Geplant ist, das Lenkgehäuse mittels 3D-Lasersintern bei einem Sponsor des Hochschul-Teams fertigen zu lassen.

Durch die Verwendung der Topologie-Optimierung gelang es High Speed Karlsruhe nicht nur rund 20 Prozent Gewicht einzusparen, sondern auch die teaminterne Fertigung zu entlasten. Am gesinterten Lenkgehäuse müssen lediglich die Passungen nachgefräst werden. Im Anschluss kann das Bauteil direkt im Fahrzeug verbaut und getestet werden.

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