Strukturoptimierung von Automobilkomponenten auf Basis von Ermüdungssimulationen

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Gestaltoptimierung in Bezug auf das Ermüdungsverhalten eines Zylinderkopfes. Um dieses Ziel zu erreichen wird zunächst eine sequentiell gekoppelte Temperatur-Spannungs Analyse mittels Abaqus/Standard durchgeführt. Die daraus erhaltenen Spannungszustände werden mit dem Programmpaket FEMFAT in eine Mittel- und Amplitudenspannung umgerechnet und damit eine Ermüdungsberechnung durchgeführt. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Analyse erfolgt eine Gestaltoptimierung mit dem Programmpaket TOSCA Structure. Im nächsten Schritt wird dieser Optimierungsprozess mittels mehrerer Python Skripts automatisiert. Dazu wird ein Plug-in für Abaqus/CAE erstellt, sodass alle notwendigen Einstellungen für den gesamten Optimierungsprozess direkt in Abaqus/CAE getätigt werden können. Bei der Ausführung des Plug-ins werden alle für die Optimierung notwendigen Input Files für Abaqus/Standard, FEMFAT und TOSCA Structure automatisch generiert. Im ersten Teil dieser Arbeit wird auf die Grundlagen der Betriebsfestigkeit und der Strukturoptimierung, im speziellen der Gestaltoptimierung, eingegangen. Der Berechnungsablauf der dazu verwendeten Programme und der Optimierungsprozess an sich werden ebenfalls näher erläutert. Im Anwendungsteil werden einige Vorbetrachtungen an Benchmarkbeispielen durchgeführt, bevor die Möglichkeiten einer weiteren Gewichtsreduktion eines Zylinderkopfes sowie der Automatisierung des Optimierungsprozesses untersucht wird. Dabei zeigt sich, dass eine Gewichtsreduktion, trotz der Steigerung des Sicherheitsfaktors gegen Dauerbruch, erzielt werden kann. Des Weiteren ermöglicht das erarbeitete Plug-in, dass neben dem Preprocessing für FEMFAT und TOSCA Structure auch das Postprocessing aller Ermüdungs- und Optimierungsergebnisse in Abaqus/CAE durchgeführt werden kann.

This diploma thesis deals with a shape optimization to improve the fatigue behavior of a cylinder head. To achieve this goal a sequentially coupled thermal-stress analysis is carried out using the FEA software Abaqus/Standard. The resulting data on mechanical stresses is decomposed in average stress and a fluctuation around this mean using the software tool FEMFAT, in order to carry out a fatigue analysis. Based on the results from this analysis a shape optimization is performed using the software tool TOSCA Structure. In the next step, this optimization process is automized using Python scripts. For this purpose a plug-in for Abaqus/CAE is created which manages all settings that are necessary for the entire optimization process. When executed, the plug-in generates all required input files for Abaqus/Standard, FEMFAT and TOSCA Structure automatically. In the first part of this work, the fundamentals of fatigue and structural optimization, in general, and of shape optimization, in particular, are reviewed. Additionally, the calculation process of the software tools used plus the optimization workflow are described. Secondly and following several preliminary tests, this method is applied to investigate the potential of a further weight reduction of a cylinder head as well as the automation of the optimization workflow itself. It is found that both a weight reduction of the cylinder head and an increase in high cycle fatigue safety are possible. Finally, it can also be concluded that the Abaqus plug-in developed for this work allows the postprocessing of the entire fatigue and optimization results within Abaqus/CAE, besides the preprocessing for FEMFAT and TOSCA Structure.