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Morphing einer Rohkarosserie

In unserem Betrag zum Thema Netz-Morphing stellen wir die These auf, dass es sich dabei um eine sehr effektive und leistungsfähige Methode handelt, um Geometrieanpassungen an einem bestehenden FEM- oder CFD-Modell durchzuführen. Dass an dieser Aussage auch etwas dran ist, versuchen wir hier, am Beispiel einer vereinfachten Rohkarosserie, aufzuzeigen. Selbst dieses stark reduzierte Modell basiert bereits auf vielen kompliziert geformten Blechbiegeteilen, die alle für eine umfangreiche Designstudie mehrfach geändert werden müssen.

Bevor wir allerdings näher auf das Beispiel eingehen, stellen wir nochmals kurz die gängigen Arbeitsabläufe für eine Designiteration gegenüber.


CAD Workflow

AdSimuTec Workflow.de.CAD.smallIm CAD getriebenen Workflow müssten für eine Geometrievariation unserer Rohkarosserie viele CAD-Modelle und noch mehr Konstruktionselemente in der jeweiligen Teilehistorie angepasst werden. Da sich komplexe Geometrien und Baugruppen im CAD selten vollumfänglich teileübergreifend parametrisieren lassen, bedeutet dies letztendlich viel Handarbeit beim Konstrukteur oder CAD-Team. Das ist aber nicht der einzige Mehraufwand, der entstehen kann.

Bei der Übernahme der geänderten Geometrie in den Preprocessor treten gerne zusätzliche Schwierigkeiten auf. Dies ist selbst bei der Verwendung von direkten Schnittstellen zum CAD-System der Fall. Vielfach verschwinden kleine Flächen oder werden durch neue ersetzt. Dies hat nichts mit der Schnittstelle an sich zu tun, sondern liegt schlicht und einfach an der Geometriebeschreibung. Kommen beispielsweise Flächen hinzu oder fallen weg, geht der Bezug zu Last- und/oder Randbedingungen schnell verloren. So kann ein vormals zusammenhängender Flächenbereich für eine Kontaktdefinition auf einmal Löcher aufweisen. Allein die Möglichkeit, dass derartige Dinge passieren, erfordert eine nochmalige sorgfältige Modellkontrolle. Auch dies macht eine Interaktion mit dem Anwender notwendig. Eine vollständig autonome Designstudie ist für komplexe Strukturen also nicht immer durchführbar.


Kombinierter Workflow

AdSimuTec Workflow.de.Morphing.smallDiese Nachteile können mit einem anderen Arbeitsablauf umgangen werden. Im kombinierten oder hybriden Workflow sind CAD- und Preprocessor im gleichen Masse, aber an unterschiedlichen Stellen für die Designänderungen verantwortlich. Das CAD-System liefert zunächst wie gewohnt das Basisdesign für das Berechnungsmodell. Nach der ersten Simulation und Ergebnisauswertung werden die gewünschten Änderungen allerdings im Preprocessor am bestehenden Modell durchgeführt. Je nach Methode, mit der die Geometrie verändert werden soll, braucht es dazu einmalig eine zusätzliche Modelldefinition. Im Falle des Box-Morphings wäre dies die Erzeugung und Parametrierung der Kontrollvolumen. Ist auf diese Weise schliesslich ein Design gefunden, dass die Anforderungen erfüllt, wird die Geometrie ans CAD zurückgegeben. Diese kann aber in der Regel nicht direkt genutzt werden, sondern dient dem Konstrukteur als „Richtschnur“ für ein neues CAD-Design, welches abschliessend nochmals in der Simulation überprüft werden kann. Auf diese Weise lässt sich, zumindest ab der ersten Modellerstellung bis zur Rückgabe der Geometrie an das CAD-System, die gewünschte Designstudie autonom durchführen.


Umsetzung am Beispiel der Rohkarosserie

In unserem Beispiel sollen an der Rohkarosserie folgende Änderungen untersucht werden. Die Position und Neigung der B-Säule, die Breite und Höhe des Daches sowie die Position des Übergangs zwischen Windschutzscheibe und Dachanfang. Für die Bearbeitung der Aufgabe bietet sich das Box-Morphing als geeignete Methode an. Dazu sind zunächst die von den Änderungen betroffenen Bereiche mit entsprechenden Kontrollvolumen zu umschliessen. Zur Vereinfachung können aufgrund der Symmetrie die Morphing-Boxen an der Symmetrieebene gespiegelt werden. Zudem ist es möglich die symmetrischen Kontrollvolumen miteinander zu verknüpfen, sodass alle Veränderungen auf der einen Modellhälfte automatisch auch die gegenüberliegende Seite betreffen. Neben der Erstellung der Morphing-Boxen sind zudem die entsprechenden Designparameter zu definieren und abschliessend muss das Modell noch kontrolliert werden, ob die gewünschten Geometrieänderungen damit hinreichend gut abgebildet sind. Die nachstehenden Bilder zeigen die Ergebnisse der Veränderungen, einmal für jeden Parameter isoliert und einmal in beliebiger, zufälliger Kombination.

Auswirkungen der einzelnen Designparameter auf das Modell

 

Auswirkungen der beliebig kombinierten Designparameter auf das Modell

 


Fazit

Zusammengefasst lässt sich also folgendes festhalten. Der vielfach verwendete CAD getriebene Workflow besitzt zwei wesentliche Schwachstellen. Zum einen erfordert er insbesondere bei komplexen Modellen personalintensive und damit teure Arbeitsschritte, zum anderen birgt er eine nicht zu vernachlässigende Gefahr, dass sich Fehler ins Simulationsmodell einschleichen. Stehen nur limitierte Ressourcen zur Verfügung, führt beides letztendlich zu einem schlechteren Design, da im gegebenen Zeitfenster weniger Varianten beurteilt werden können und mitunter die Aussagekraft infolge mangelnder Modellqualität leidet.

Erfolgen hingegen die gewünschten Änderungen im Preprocessor durch Netz-Morphing können diese Nachteile umgangen werden, der Aufwand für einzelne Designiterationen wird so deutliche kleiner gehalten. Der zeitintensive Schritt zurück ins CAD ist erst am Schluss notwendig, nachdem ein zufriedenstellendes Design gefunden wurde. Der Konstrukteur erhält damit auch eine klare Designvorgabe, Missverständnisse in der Kommunikation werden so verringert.

Der einmalige Aufwand für die Erstellung und Parametrisierung des Morphing-Modells ist meistens gering im Vergleich zur erzielten Einsparung. Trotzdem darf das nicht darüber hinwegtäuschen, dass auch dieser Schritt etwas zeitintensiver sein kann. Auch darf man nicht erwarten, dass die Geometrieänderungen durch Morphing die gleiche Präzision haben wie im CAD. Dies ist aber auch nicht der Anspruch der Methode. Das Ziel ist vielmehr in kurzer Zeit herauszufinden, welche Parameter dominant sind, welche Wechselwirkungen bestehen und wo ein Optimum liegen kann.

Zudem ist auch die Verschmelzung beider Abläufe ein mögliches und in bestimmten Fällen ein zielführendes Szenario. Aus unserer Sicht ist gerade die Flexibilität im Workflow ein wichtiger Aspekt auf dem Weg zu besseren Produkten.

 


Viele Wege führen nicht nur nach Rom, sondern auch zu einem besseren Design.
Wir sind gerne an Ihrer Seite, wenn es darum geht neue Wege zu erproben!


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