Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Westfälisches Institut für...

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Westfälisches Institut für Bionik

Bionik in der Strukturoptimierung: Bauteilgestaltung nach dem Vorbild der Natur

Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer

Hannover Messe 2019

Gliederung

1.  Bionik2.  WaskannmanvonderNaturlernen?3.  Strukturoptimierung

1.  Topologieoptimierung2.  Formoptimierung3.  Strukturoptimierung&BionikimPEP

4.  Literatur5.  FazitProf. Dr. A. Sauer 2 Bionik in der Strukturoptimierung

VDI-Richtlinie6220:BionikverbindetininterdisziplinärerZusammenarbeitBiologieundTechnikmitdemZiel,durchAbstraktion,ÜbertragungundAnwendungvonErkenntnissen,dieanbiologischenVorbilderngewonnenenwerden,technischeFragestellungenzulösen.Allgemein:TechnischeProblememitHilfederNaturlösen.

3 Prof. Dr. A. Sauer

1.Bionik(Biologie&Technik)

Bionik in der Strukturoptimierung

•  EntwicklungderNaturdurchEvolutionseitca.2MilliardenJahren

•  DemonstrationerfolgreicherKonzepte•  einneutralerVermittler•  ZielökonomischundnichttechnischoptimaleLösung

•  aber...

4 Prof. Dr. A. Sauer

WarumBionik?


5 Prof. Dr. A. Sauer Bionik in der Strukturoptimierung A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung

direkteskopierenoftnichtsinnvoll:unterschiedlicheAnforderungen

2.WaskannmanvonderNaturlernen

MechanismusderEvolution

Optimierungs-verfahreninder

Natur=Adaptivität

ErgebnissederEvolution=Funktionen

6 Prof. Dr. A. Sauer Bionik in der Strukturoptimierung

Optimierungs-Werkzeuge

Prof. Dr. A. Sauer 7 Bionik in der Strukturoptimierung J. Sauer

Leistungsfähigkeit

Günstig Apps

Ingenieurs Know-How

Computer-Tools

implementierte Tools

MechanismusderEvolutionEvolutionärenAlgorithmen,z.B.dieEvolutions-Strategie

8 Prof. Dr. A. Sauer I. Rechenberg


Evolution Strategy with more than one offspring

λ = 6

(µ , λ)-ES µ = 1

Evolutionsstrategie

9

A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung (Kapitel 6)

Prof. Dr. A. Sauer Bionik in der Strukturoptimierung

3.Strukturoptimierung3.1Topologieoptimierung



Natur=Adaptivität

SKO-Methode(SoftKillOption)

11 A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung


Erstellung eines FE-Modellsmit den maximal zu Verfügung stehenden Grenzabmaßen:

”Bauraum“

FEM-Lauf mit konstantem E-Modulzur Ermittlung der lokalen Spannungszustände σ

Lokale Modifikation des E-ModulsE=f(σ)

FEM-Lauf mit modifiziertem E-Modulzur Ermittlung der neuen

lokalen Spannungszustände σ

Scharfe Trennungzwischen Emin und Emax

Designvorschlag

ja

nein

erhältlicheProgrammez.B.

Prof. Dr. A. Sauer Bionik in der Strukturoptimierung 12

und viele weitere: Tabelle 7.2 Optimierungstools

Optimierungs-tool To

pologie

Form

Sizing

Material

Topo

grap

hie

Ope

nSo

urce

Anbieter Internetadresse

ANSYS � � ANSYS www.ansys.com

Ashby Material-auswahl

� Ashby: Materials Selection in MechanicalDesign

Beso � RMIT Univer-sity

www.rmit.edu.au

BOSS quattro � � � Siemens www.plm.automation.siemens.com

CAIO Dipl.-Ing. H.MoldenhauerGmbH

www.tailored-fiber-design.com

CAO � Dipl.-Ing. H.MoldenhauerGmbH

www.tailored-fiber-design.com

CAO � sachs-engi-neering

sachs-engineering.com

Carat++ � � � � FEMopt Stu-dios GmbH

www.femopt.de

CATOPO � CES EckardGmbH

http://ces-eckard.de

CES Selector � Granta Design www.grantadesign.com

Dakota � � Sandia Natio-nal Laborato-ries

https://dakota.sandia.gov

FEMToolsOptimization

� � � Dynamic De-sign SolutionsN.V. (DDS)

www.femtools.com

FOMD � MKP Structu-ral DesignAssociates

www.mkpsd.com

GENESIS � � � � VanderplaatsResearch &Development,Inc.

www.vrand.com

GPUTop � � UniversitätTrier

www.math.uni-trier.de

Insight � dassault syste-mes

www.3ds.com

Kraftkegel-methode

� Mattheck: Körpersprache der Bauteile [Mat]

LS-OPT � � LS-DYNA www.lsoptsupport.com

Matlab � MathWorks www.mathworks.com

ModeFRONTIER � ESTECO www.esteco.com

98 Strukturoptimierung

Lizensiert für Professor Alexander Sauer, Westfälische Hochschule / Campus Bocholt

Bsp:TopOpt-App

3Strukturoptimierung3.2Formoptimierung



Natur=Adaptivität


3.2.1CAO-Methode

A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung

16

VorbildBaum3.2.2ZDE(Zug-Dreiecks)-Methode


Zugr

icht

ung

C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile

17

ZDE(zweiachsig)


45

a) b)

120°

30° 45°

d) Kerböffnungswinkel > 90°

1. 1.

3a.3b.

2.45°

2.

e) Kerböffnungswinkel < 90

90°

60°

30°

60°30

c)

A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung

18

3.2.3BeispielfürSelbstoptimierungKerbenoptimierensichbeiBelastung

C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile Prof. Dr. A. Sauer Bionik in der Strukturoptimierung

3Strukturoptimierung3.3inder

Produktentwicklung

Prof. Dr. A. Sauer 19 Bionik in der Strukturoptimierung

BionikinEntwicklungsprozesse

Prof. Dr. A. Sauer 20 Bionik in der Strukturoptimierung

H. Beismann: Bionik in der Strukturoptimierung

ELiSE

21 C. Hamm: Bionik in der Strukturoptimierung


4.Literatur

22

•  A. Sauer: Bionik in der Strukturoptimierung – Praxishandbuch für ressourceneffizienten Leichtbau, Vogel-Fachbuchverlag, 2018

•  C. Mattheck: Die Körpersprache der Bauteile, KIT, 2017 •  DIN ISO 18 458 Bionik – Terminologie, Konzepte und Methodik •  VDI 6220 Blatt 1 Bionik – Konzeption und Strategie •  VDI 6223 Blatt 1 Bionik – Bionische Materialien, Strukturen und Bauteile •  VDI 6224 Blatt 3 Bionik – Bionische Strukturoptimierung im Rahmen eines ganzheitlichen

Produktentstehungsprozesses •  DIN ISO 18 459 Bionik – Bionische Strukturoptimierung (CAO, SKO, CAIO, Zugdreiecke) •  VDI 6224 Blatt 1 Bionische Optimierung – Evolutionäre Algorithmen in der Anwendung

Prof. Dr. A. Sauer 23

Kontakt: Prof. Dr.-Ing. Alexander Sauer Lehrgebiet: Bionik und Leichtbau Münsterstrasse 265 46397 Bocholt Tel.: 02871 / 2155 948 Fax: 02871 / 2155 900 [email protected] Raum C1.0.14

VielenDankfürIhreAufmerksamkeit.


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