Ansätze und Optimierungsmethoden für die Konzeption einer Leichtbaukarosserie

VDI Seminar - Leichtbau mit metallischen Werkstoffen, 24.-25. April 2002, Bremen

Dipl.-Ing. D. Schwarz, Dipl.-Ing. Peter Urban, Institut für Kraftfahrwesen, Aachen

Kurzfassung:

Der Vortrag zeigt anhand von Beispielen die Anwendung unterschiedlicher Optimierungsmethoden für die Entwicklung leichter, beanspruchungs- und belastungsgerechter Karosseriebauteile. Der Vortrag beginnt mit der Bewertung einiger Trends bei der Fahrzeugentwicklung in Bezug auf den Leichtbau. Gegenübergestellt werden Entwicklungen und Tendenzen wie die zunehmenden Fahrzeugabmessungen, die Kundenwünsche nach immer mehr Komfort, nach Variabilität und Sicherheit, die gehobenen Grundausstattungen und die verschärften gesetzlichen Anforderungen, die das umgesetzte Leichtbaupotenzial beim Modellwechsel in der Regel zu großen Teilen wieder kompensieren.
Die grundlegenden Strategien (Formleichtbau, Stoffleichtbau, Strukturleichtbau) werden kurz erläutert, die für die Umsetzung des Leichtbaus angewendet werden. Durch diese Strategien sollen beanspruchungsgerechte Bauteile entworfen werden. Zur Realisierung werden spezielle, weiterentwickelte Fertigungsverfahren eingesetzt. Für Blechschalenbauteile werden das Tailored Blank Verfahren, das Bonded Blank Verfahren und das Flexible Walzen erläutert.
Neben der Abschätzung des Leichtbaupotenzials für die Karosserie auf Basis von Literaturangaben wird eine technische Bemessungsgröße für den Leichtbau, die Leichtbaugüte, vorgestellt. Die wirtschaftliche Bemessung des Leichtbaus, das heißt die zumutbaren bzw. akzeptierten Kosten für den Leichtbau, werden ebenfalls diskutiert. Speziell wird in diesem Zusammenhang auf die Auswirkungen der Materialwahl eingegangen.
Am Beispiel von zukunftsweisenden Karosseriekonzepten (Materialmix) wird der Einsatz verschiedenster Leichtbaumaterialien aufgezeigt. Es werden Beispiele für die Space-Frame-Bauweise in Aluminium und erste Ansätze für die Space-Frame-Bauweise aus Stahl gezeigt.
Für die beanspruchungsgerechte Auslegung der Struktur ist eine Verbesserung der heutigen Simulationstechniken erforderlich. Da eine maximale Werkstoffausnutzung angestrebt wird, müssen die numerischen Methoden die zu erwartenden Beanspruchungen hinreichend genau abbilden. Dazu gibt es Ansätze, die Fertigungshistorie von umgeformten oder gegossenen Bauteilen in die Crashmodelle bzw. Strukturmodelle zu übertragen. Im Vortrag wird auf Beispiele zur Berücksichtigung der Kaltverfestigung durch flexibles Walzen bei der Crashberechnung einer Trägerstruktur, zur Einbindung von Eigenspannungen aus dem Erstarrungsprozess in die Spannungsanalyse eines Gussbauteils sowie zur Durchführung einer Strukturanalyse eines Sickenblechs unter Beachtung der Blechdickenverteilung aus der Umformsimulation eingegangen.
Für die Auslegung leichter und beanspruchungsoptimierter Bauteile werden heute numerische Optimierungsverfahren im Entwicklungsprozess eingesetzt. Als Beispiel wird die Anwendung der Sickenoptimierung erläutert. Nach grundsätzlichen Betrachtungen zur Mechanik derartiger Schalenstrukturen wird auf die Vorgehensweise bei der Sickenoptimierung, die Validierung des Verfahrens, die Interpretation der Ergebnisse und die Umsetzung am Beispiel der Rückwand eines Pickup-Fahrerhauses eingegangen.
Eine erweiterte Optimierungsmethode wird am Beispiel einer Pkw-Tür mit dem Ziel erläutert, ein gewichtsreduziertes Türkonzept zu entwickeln, das zudem eine verbesserte Struktursteifigkeit besitzt. Die Methode beinhaltet eine Strukturanalyse der Ausgangsversion, die Topologieoptimierung der untersuchten Struktur, eine Sensitivitätsanalyse gegebenenfalls relevanter Parameter, die darauf aufbauende Optimierung dieser Parameter, eine Topographieoptimierung zum Einsatz lokaler Versteifungen und eine nachfolgende Strukturanalyse des neuen Konzeptes. Die Anwendung dieser Methode wird ebenfalls für die Entwicklung von Leichtbaukonzepten für Gesamtkarosserien erläutert.
Abschließend wird der Einsatz der numerischen Berechnungsprogramme für die Entwicklung von leichten Strukturen bewertet. Die erläuterten Optimierungsverfahren erfordern bei komplexen Strukturen große Hardware-Ressourcen und ausgeprägte Erfahrung des Anwenders bei der Problemformulierung sowie insbesondere bei der Interpretation und Umsetzung der Ergebnisse. Die Optimierung wird jedoch in Zukunft bei der Realisierung von Leichtbau als effektiver Lieferant für innovative konstruktive Ideen unersetzlich werden.
Es bestehen die Forderungen nach einer geschlossenen Prozesskette in der Entwicklung und nach einer eingehenden Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Leichtbau und Wirtschaftlichkeit. Die vollständige Nutzung der Potenziale der verschiedenen Werkstoffe wird erst durch moderne Simulationstechniken möglich, die zugleich die Entwicklung neuer konzeptioneller Ansätze für Leichtbaukarosserien unterstützen. Dadurch bietet sich konventionellen, verbesserten Werkstoffen wie hochfestem Stahl eine langfristige Perspektive.




Abbildung 1: Anwendung der Optimierungsmethoden auf die Karosserie