Kleine konstruktive Änderungen führen zu großen Qualitätsverbesserungen

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Kennzeichnend für diese Bauteile ist ein gleichmäßiges, niedriges Spannungsniveau in ihrem Innern. Dazu muss allerdings ein ausreichend großer Bauraum für die Optimierung verfügbar sein.

Lokale Spannungsspitzen können zu Rissen führen

Oft reichen jedoch schon kleinere Änderungen an gegebenen Konstruktionen aus, um eine überaus eindrucksvolle Reduzierung lokaler Bauteilspannungen zu erreichen. Ein Beispiel dafür ist das in Bild 2 (siehe Bildergalerie gezeigte Bauteil, das Wechsellasten im Kilonewton-Bereich ausgesetzt wird.

Dazu wirken Kräfte in senkrechter Richtung nach oben sowie senkrecht zur dargestellten Projektionsebene. Die Lagerung ist ebenfalls im Bild zu sehen. Vor der Shape- oder Gestaltoptimierung waren in Feldversuchen immer wieder einzelne Bauteile aufgrund von Brüchen ausgefallen.

Charakteristisch für die Ausfälle war der Rissbeginn am Auslauf des großen Radius im Durchbruchbereich. Nachträglich durchgeführte FEM-Berechnungen zeigen, dass das generelle mechanische Spannungsniveau im Bauteil nicht zu hoch ist, es unter den angreifenden Lasten jedoch ganz lokal zu erheblichen Spannungsspitzen kommt (Bild 3 – oben). Um diese zu beseitigen, wurde von der Gießerei eine Gestaltoptimierung durchgeführt.

Gestaltoptimierung verbessert Bauteilbereiche nachträglich

Eine Shape- oder Gestaltoptimierung eignet sich zur nachträglichen belastungsgerechten Optimierung von Bauteilbereichen. Dabei wird insbesondere eine erhebliche Reduzierung der Kerbspannungen bei minimalen Geometrieänderungen angestrebt. Hierzu verschiebt das Programm automatisch die Knoten des FE-Netzes so, dass sich die Außenkontur des Bauteils leicht verändert und lokale Spannungsspitzen im Bauteil abgebaut werden.

Bild 3 (unten) zeigt das Ergebnis der Optimierung. Deutlich ist erkennbar, wie sich infolge einer nur geringfügigen Veränderung der Kontur des Durchbruchs die Spannungen im gefährdeten Bauteilbereich verringern lassen.

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