FE-DESIGN GmbH - Anwendungsbeispiel

Topologieoptimierung in der Konzeptphase einer Telehandlerachse

Aufgabenstellung des Kunden

Die ZF-Group muss den Anforderungen des Marktes folgen und die Entwicklung von gewichtsreduzierten Bauteilen für Antriebsstrang und Fahrwerk vorantreiben. Bei der konkreten Entwicklung einer Telehandlerachse sollte neben dem konstruktiven Entwurf, der Ermittlung des Einbauraumes und der Topologie- und Formoptimierung eine FEM-Festigkeitsberechnung auf Basis von mit MKS-Simulation ermittelten Lasten durchgeführt werden. Ziel war, die Gesamtproduktkosten zu reduzieren, Fertigung und Montage zu optimieren, den Materialeinsatz zu minimieren und den gesamten Entwicklungsprozess schneller und zuverlässiger zu machen.

Unsere Lösung: Topologieoptimierung

Mit Hilfe des Optimierungspaketes TOSCA Structure wurden die einzelnen Bestandteile der Achse optimiert. Die Qualität der Optimierungsergebnisse und damit die Ausnutzung des Potentials zur Gewichtsersparnis ist umso besser, je genauer die auf das Bauteil einwirkenden Lasten berücksichtigt werden. Daher standen die Betrachtung einzelner Komponenten im Zusammenspiel mit dem kompletten Aggregat und die Erweiterung auf nichtlineare Analysen (Kontaktprobleme) im Vordergrund. Weiterhin wurden für verlässlich interpretierbare Resultate die im Unternehmen vorhandenen FE-Solver eingebunden. Basierend auf einer Kinematikuntersuchung zur Ermittlung des zur Verfügung stehenden Bauraums wurde eine Topologieoptimierung der einzelnen Achsmodule mit nichtlinearen FE-Modellen durchgeführt. Die Optimierungsergebnisse wurden unter Berücksichtigung aller Randbedingungen (auch bzgl. der Fertigung) in eine Konstruktion umgesetzt und durch FEM-Berechnungen der Festigkeitsnachweis erbracht.

Erfolg für den Kunden

Es gelang, die Topologieoptimierung durchgängig in den bestehenden Entwicklungsprozess zu integrieren und die Konstruktion schon in der Konzeptphase zu unterstützen. Die Optimierungsergebnisse konnten direkt im CAD-System visualisiert und durch die Berücksichtigung von fertigungsbedingten geometrischen Restriktionen sehr schnell in neue CAD-Modelle umgesetzt und damit im weiteren Entwicklungsprozess genutzt werden. Die Verwendbarkeit der im Unternehmen vorhandenen FE-Solver sicherte Ergebnisqualität und bietet zukünftig Synergieeffekte zwischen den Standorten. Am Ende des Projektes steht für ZF die um 20 % leichtere, komplett neu konstruierte Achsbrücke der Telehandlerachse. Diese weist außerdem zahlreiche innovative Details auf, die durch Patente geschützt sind.