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„Entwicklungsprozess mit HyperShape/CATIA“

6. HyperWorks Anwendertreffen für Hochschulen07.November 2011, World Conference Center [email protected]

Hochschule Bochum - Bochum University of Applied Sciences

Entwicklungsprozess mit HyperShape/CATIA I Stefan Binder I 07.11.2011 2

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Mensa

AWA

CC

F

BE

D1D2

D3Campus Hochschule Bochum

Hochschule Bochum - Zahlen (Stand 2010)Studierende 4.912Frauen 1.309Ausländer/-innen 803Neuanfänger WS10/11 1.331Absolvent(inn)en 2010 863

Mitarbeiter (VZÄ)Professoren 118Wissenschaftliche 62Verwaltung &Technik 118


FB A ArchitekturFB B BauingenieurwesenFB V Vermessungswesen und Geoinformatik

CC Construction

FB E Elektrotechnik und InformatikFB E+M Mechatronik-Zentrum NRWFB M Mechatronik und Maschinenbau

CC Engineering

FB W Wirtschaft CC Business

IZK Institut für zukunftsorientierte Kompetenzentwicklung

DVZ Datenverarbeitung, Medien, Bibliothek, ...Service

Fachbereiche / Studiengänge CC - Kompetenzzentren


Zur Person Stefan Binder

Stefan Binder

Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachbereichs M am Institut für CAD/CAE Lehrbeauftragter für die Lehrveranstaltungen

CAE/FEM mit CATIA V5 R19 (Studiengang Bachelor Maschinenbau) CAD für Mechatroniker (Studiengang Master Mechatronik) CAE/FEM für Mechatroniker (Studiengang Master Mechatronik) CAD im PLM Umfeld (Studiengang Master CAE) CAE/FEM-Systeme und Anwendung (Studiengang Master CAE)


Entwicklungsprozess mit HyperShape/CATIA

Fallbeispiel 1:Strukturoptimierung Gussgehäuses eines Multikanal-Impulsgebers

Fallbeispiel 2:Optimierung thermischer und mechanischer Eigenschaften eines Pumpengehäuses unter Berücksichtigung des Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen


Impulsgeber

Abschlussarbeit vonHerrn Phillip Limbach

Pumpengehäuse

Abschlussarbeit vonHerrn Nicolas Hoppe

Fallbeispiel 1:Motivation des Entwicklungspartners

Entwicklung eines neuen Impulsgebergehäuses mithilfe des Verfahrens der Topologieoptimierung

Zielsetzung: Reduzierung der Herstellungskosten

Herstellung mittels gusstechnischer Fertigung

Gewichtsreduktion zur Verringerung auftretender Beschleunigungskräfte


ursprüngliches Gehäuse und Neukonstruktion

Fallbeispiel 1:Ablauf der Neukonstruktion

FE-Analyse des Ist Zustandes mit CATIA V5 nach Kundenvorgaben

Definition des Bauraums zur Topologieoptimierung durch HyperShape/CATIA

Topologieoptimierung durch HyperShape/CATIA mit Fertigungsrestriktion

Umsetzung des Designvorschlages

FE-Analyse der Neukonstruktion


Ablauf der Neukonstruktion

Fallbeispiel 1:Vergleich Alt- und Neukonstruktion

Zahlen 27% Volumen-, bzw.

Gewichtseinsparung Reduzierung des

Gesamtmaterialverbrauchs um 86%

10% weniger Spannungen im Bauteil


Vergleich des ursprünglichen Gehäuses (orange) mit der Neukonstruktion (grün)

Fallbeispiel 2:Motivation des Entwicklungspartners

Pumpengehäuse optimal an den Fertigungsprozess des Laserstrahlschmelzens anpassen Neukonstruktion der Kühlkreisläufe Neukonstruktion des Pumpengehäuses

– Volumenreduzierung– Reduzierung der Bauteile

Kühlleistung und Festigkeit des Gehäuses nachweisen


Musterteil Laserteilschmelzen mit innenliegenden Kanälen

Existierendes Pumpengehäuse

Ziel: funktionsfähiger, physikalischer Prototyp

Fallbeispiel 2:Ablauf der Neukonstruktion

Analyse des Ist-Zustands Neukonstruktion der

Kühlkreisläufe Topologieoptimierung des

Pumpengehäuses Neukonstruktion des

Pumpengehäuses Analyse der

Neukonstruktion


Analyse der Neukonstruktion

FEM-Analyse

Neukonstruktion des Gehäuses für den Laserstrahlschmelzprozess

CAD Modell

Topologieoptimierung des Pumpengehäuses

Topologieoptimierung Interpretation des Designvorschlags

Neukonstruktion der Kühlkreisläufe

Varianten Bestimmung der Kühlleistung

Analyse Ist-Zustand

FEM-Analyse Bestimmung der Kühlleistung

OK!

nicht OK!

Fallbeispiel 2:Bestimmung der Kühlleistung

virtueller Versuchsaufbau in SolidWorks Flow Simulation aufgenommene Leistung Temperatur Kühlmedium Vergleich mit der

Neukonstruktion

vorne IstZustand

hinten Ist Zustand

Enthalpie Differenz [W] 269,8 206

Kühlmedium Temperatur Ø [°C]

20,55 20,38Modell vorne Modell hinten


Fallbeispiel 2:Neukonstruktion der Kühlkreisläufe

Netzkühlung vorne innenliegende Kühlkanäle

mit Abstand 2 mm bei homogener Flächenkühlung

kurzer Weg des Kühlmediums radial von innen nach außen

13Entwicklungsprozess mit HyperShape/CATIA I Stefan Binder I 07.11.2011

Fallbeispiel 2:Neukonstruktion der Kühlkreisläufe

Kühlkreislauf rückseitig Ist:

gefräste Kühlkanäle im Abstand von 6 mm

Neu: – innenliegende Kühlkanäle

im Abstand von 2 mm bei konturnaher Kühlung

– konstanter Abstand zur Innenkontur


Fallbeispiel 2:Temperatur Kühlmedium

Kühlmedium Temperatur Ist-Zustand Kühlmedium Temperatur Netzkühlung


Fallbeispiel 2:Topologieoptimierung HyperShape/CATIA


Fallbeispiel 2:Topologieoptimierung Designvorschlag


Fallbeispiel 2: Umsetzung des Designvorschlags

CAD Modell


Fallbeispiel 2:Finales Design

CAD Modell ausgelegt für das

Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen

für die anschließende Bearbeitung optimiert

Integration der Kühlkreisläufe


Fallbeispiel 2: Vergleich Alt- und Neukonstruktion

Zahlen Volumenreduzierung 68 % Kühlleistung > +100%

Ist Zustand vorne Neukonstruktion vorne Reduzierung Volumen [%]193,166 44,088 77,180Ist Zustand hinten Neukonstruktion hinten Reduzierung Volumen [%]373,566 136,137 63,560Ist Zustand gesamt Neukonstruktion gesamt Reduzierung Volumen [%]566,732 180,225 68,200

Materialvolumen


Fallbeispiel 2:FE-Analyse

Bereich von Mises Spannung max. (MPa) Verformung max. (mm)Ringraum Laufrad 17,60 0,0005O – Ring Nut 14,42 0,0009Eintrittskanal 0,0015

Lastfall 25 bar max. Druck erwartungsgemäß „höhere“

Spannungen und Verformungen

weiterhin keine Funktionsbeeinträchtigung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Q&A


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