Optimierung dynamisch belasteter Leichtbaustrukturen

Die Anforderungen an Konstrukteure aus vielen Industriebereichen werden immer vielfältiger: Zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit muss der Werkstoffeinsatz und mit ihm die benötigten Ressourcen sowohl in der Fertigung als auch im Betrieb reduziert werden. Gleichzeitig gilt es, die Performance der Produkte (zum Beispiel das Fahrverhalten bei automotiven Anwendungen oder die Positioniergenauigkeit in der Fertigung) weiter zu erhöhen. Hierzu muss das dynamische Systemverhalten betrachtet und optimiert werden. Zudem muss auch die Festigkeit der Bauteile im Betrieb, d. h. bei statischen und zyklischen Beanspruchungen gewährleistet sein.

Wir am Fraunhofer LBF entwickeln Methoden, wie diese vielfältigen Anforderungen, die Optimierung der Strukturdynamik und die Bewertung der Lebensdauer, im Entwicklungsprozess von Leichtbaustrukturen gemeinsam betrachtet werden können.

Herausforderung effiziente Produktentwicklung

Die Anforderungen an das Schwingungsverhalten von Bauteilen und Strukturen steigen in allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus und der Mobilitätsbranchen rasant. Gleichzeitig müssen Produkte im Sinne des Leichtbaus optimiert werden und dennoch eine hinreichende Lebensdauer und Nachhaltigkeit garantieren. Die Optimierung der Strukturdynamik einerseits und die Bewertung der Lebensdauer andererseits werden in der Regel voneinander entkoppelt betrachtet. Insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen hängen beide Themenbereiche jedoch eng zusammen und müssen gemeinsam betrachtet werden, um eine effiziente und schnelle Produktentwicklung zu ermöglichen.

Mehrwert durch Kombination numerischer Methoden

In unserem Forschungsprojekt DuraDyn wurde eine Methodik entwickelt, die die Integration numerischer Lebensdaueranalysen in den strukturdynamischen Optimierungsprozess ermöglicht. Dabei werden komplexe numerische Modelle der Bauteile mit Hilfe modaler Reduktionsverfahren derart vereinfacht, dass eine effiziente Analyse der Strukturdynamik und eine Bewertung der Lebensdauer an kritischen Punkten durchgeführt werden kann. Dabei kann die Schädigungsbewertung im Zeitbereich mit Rainflow-Zählungen oder im Frequenzbereich über die Anwendung von Spektralmethoden erfolgen. Diese Analyse wird dann mit geeigneten multikriteriellen Optimierungsverfahren kombiniert, um ein ideales Gesamtdesign zu erhalten.

Direkter Nutzen für unsere Kunden  

Das Fraunhofer LBF wird von seinen Kunden als bewährter Partner in den Bereichen Schwingungstechnik und Betriebsfestigkeit geschätzt und zunehmend als strategischer Partner für Leichtbau und Nachhaltigkeit wahrgenommen. Um nachhaltige Produkte zu entwickeln und Leichtbaupotentiale zu heben, müssen sowohl die Strukturdynamik als auch die Betriebsfestigkeit von Strukturen und Baugruppen gleichzeitig betrachtet und optimiert werden. Der multikriterielle Ansatz hilft unseren Kunden, beide Fragestellungen von Beginn an in ihren Entwicklungsprozess einzubinden und diesen damit maßgeblich zu beschleunigen.