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Der nächste Schritt zur Durchführung einer Optimierung ist die Abbil-dung des kompletten Simulationsablaufes für die Schweißnahtberechnung (siehe Bild 9). Im Simulationsablauf stehen mehrere Analysewerkzeuge in Interaktion. In OPTIMUS ist der gesamte Workflow abgelegt. Eingangsgrößen sind die 4 oben beschriebenen Parameter. Die Parameter werden an den Morpher übergeben und dieser erzeugt ein neues Netz, welches die modifi-zierte Schweißnahtgeometrie repräsentiert. Die für FEMFAT notwendigen Anforderungen an die Schweißnahtmodellierung bleiben hierbei berücksich-tigt. Mit der neuen Geometrie wird eine statische MSC. NASTRAN Rechnung durchgeführt. Alle 30 Einheitslastfälle, die für die Lebensdauerberechnung in FEMFAT MAX benötigt werden, werden neu berechnet. Auf Basis der Ergebnisse der NASTRAN-Analyse wird die FEMFAT-Rechnung gestartet. Hier bleiben die Werkstoffkennwerte und die Last-Zeit-Verläufe jeweils unverändert.
Die erneute Schädigungsbewertung erfolgt somit nur mit der aktua-lisierten Geometrie. Für die spätere Bewertung der Ergebnisse und der Optimierung werden folgende Parameter als Ausgabe aus den FEMFAT Ergebnisdateien extrahiert:
• weld-lenght: Gesamte Schweißnahtlange der jeweils aktuellen Geometrie;
• damage-386: Schädigung am Schweißnahtende links;
• damage-196: Schädigung am Schweißnahtende rechts;
• max-damage: Maximale Schädigung über die Schweißnaht.
In Bild 9 ist der prinzipielle Ablauf der Optimierung, wie er mit OPTIMUS aufgesetzt wird, dargestellt.
Bild 9. Worklflow bei der Optimierung in OPTIMUS
Text 6: Vorbereitungen für die Optimierung
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Um einen stabilen Optimierungsprozess zu erhalten, ist es wichtig, dass bei der Variation der Inputparameter immer zulässige Losungen in der Simulation berechnet werden. Vor der Durchführung der eigentlichen Optimierung wird daher erst die Zulässigkeit des vorgegebenen Designraumes überprüft und an den extremen Situationen der Schweißnahtgeometrieän-derung geprüft.
Dies soll durch die Verwendung eines Full Factorial Design DOE Plans realisiert werden. Bei der Variation von 4 Design Parametern ergeben sich daraus 16 Analysen um die Berechnung der extremen Parametervariationen durchzuführen.
Des Weiteren soll die Rechenzeit für ein Experiment kurz sein, um eine möglichst geringe Gesamtrechenzeit zu gewährleisten. Da die Modifikationen im Bereich der Schweißnaht nur sehr lokale Auswirkungen haben, können unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, um den Simulationsablauf zu beschleunigen und somit die Zeit für eine Funktionsauswertung im späteren Optimierungsverlauf so weit wie möglich zu verkürzen:
• Durchführen der MSC. NASTRAN Rechnungen auf einem Großrechner.
• Berechnung in FEMFAT jeweils nur auf der Gruppe der entscheidenden Schweißnähte. Eine Schädigungsbewertung der weit entfernten Bereiche muss somit nicht durchgeführt werden, was die Gesamtrechenzeit für eine Schädigungsbewertung deutlich verkürzt.
Insgesamt ergibt sich so eine Gesamtrechenzeit einer vollständigen Funktionsevaluierung von ca. 10 Minuten.
Text 7: Optimierung
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Bei der Durchführung der Optimierung der Schweißnahtlage sind unterschiedliche Ziele von Interesse. Einerseits soll möglichst viel Information über das Design generiert werden. Des Weiteren ist es wichtig eine optimale Nahtgeometrie zu finden, die eine möglichst geringe Schädigung im Schweißnahtverlauf aufweist. Aus diesem Grund wird als Optimierungsstrategie eine Kombination aus Design of Experiments, dem Aufbau eines Ersatzmodells und einer darauf folgenden Optimierung auf dem Ersatzmodell gewählt.
Bei der Validierung des Modells wurden bereits die Extremzustände der Parametervariationen berechnet. Um ein Ersatzmodell erstellen zu können werden über ein Latin Hypercube Verfahren zusätzliche Stutzstellen berechnet, um eine bessere Stutzstellenverteilung im Designraum zu generieren. Beim Aufbau des Ersatzmodells wird immer die Qualität desselben überprüft. Dies kann über Scatterplots realisiert werden, die die Abweichung der gerechneten Ergebnisse vom Ersatzmodell darstellen.
In Bild 10 sind die Modellergebnisse über den Simulationsergebnissen aufgetragen (links), sowie eine 3D Darstellung des Responsemodells (rechts) abgebildet. Auf dem aufgebauten Ersatzmodell wird nun eine Optimierung aufgesetzt. Das Ergebnis dieser Optimierung ist in Tabelle 9 angegeben.
Bild 10. Scatterplot (links) und Responsesurface für den Outputparameter „Maxdamage“
Tabelle 9
Inputparameter für minimale Schädigung
Length 1 | 15.50 |
Length 2 | -7.26 |
Amplitude | 3.00 |
Frequency | 2.00 |
Für diese Konfiguration der Inputparameter kann eine minimale Schädigung in der Schweißnaht von D = 7.92E-4 erreicht werden. Da die Optimierung auf dem Ersatzmodell durchgeführt wurde, welches das Simulationsmodell nicht exakt repräsentiert, wird eine Validierung auf der Analysesequenz mit denselben Werten für die Inputparameter durchgeführt. Hierbei ergeben sich die in Tabelle 10 angegebenen Ergebniswerte, welche wie erwartet leicht von den am Ersatzmodell abgeleiteten Werten abweichen.
Tabelle 10
Tatsächliche, am FE-Modell berechnete Schädigungswerte
Damage-196 | 6,159E-3 |
Damage-386 | 9,921E-3 |
Max-damage | 9,921E-3 |
Text 8: Diskussion der Ergebnisse
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In Bild 11 sind die Geometrie und die Schädigungsverteilung des Anfangszustands (V1) und des Optimums (V2) zu sehen. Tabelle 11 zeigt die zugehörigen Parametersätze.
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Bild 11. Gegenüberstellung von Ausgangszustand (V1) und Ergebnis der Optimierung (V2)
Tabelle 11
Inputparameter für Variante V1 , V2 und V3
Ausgangszustand V1 | Optimum V2 | Seriennähe Geometrie V3 | |
Length 1 | 0 | 15,5 | 20,0 |
Length 2 | 0 | -7,26 | -8,0 |
Amplitude | 0 | 3,0 | 3,0 |
Frequenz | 0 | 2,0 | 0,8 |
Durch die Optimierung konnte die Lebensdauer gegenüber dem Anfangszustand der Optimierung um 61 % gesteigert werden. Mit der Variante V3 erhält man einen Schweißnahtverlauf, der dem Serienstand relativ ähnlich ist. Diese Variante hat eine um 45 % höhere Lebensdauer als der Ausgangszustand. Die Lebensdauer des Optimierungsergebnisses ist um 16 % besser als die seriennahe Variante. Tabelle 12 zeigt die Lebensdauer der 3 Varianten im Vergleich. Zusätzlich ist in der Tabelle noch der Bezug zum Serienstand hergestellt. Hier fällt auf, dass der Serienstand im Bereich des rechten Schweißnahtendes (Knoten 386) deutlich besser ist, als die Ergebnisse der Optimierung.
Im Unterschied zum Bauzustand der Serie fehlt in der Optimierung die Entlastungskerbe auf der rechten Seite (siehe Bild 12). Das Einbringen dieser Kerbe entlastet das Schweißnahtende und führt so zu einer deutlichen Steigerung der Lebensdauer. Da diese Art der Geometrieänderung in der hier beschriebenen Optimierung nicht möglich war, konnte die Lebensdauer hier auch nicht so stark erhöht werden. Die komplexe Geometrie von V2 macht diesen Schweißnahtverlauf für den Serieneinsatz weniger attraktiv.
Tabelle 12
Lebensdauer im Vergleich
V1 | V2 | V3 | Serie | |
Damage-196 | 100 % | 133 % | 122 % | 110 % |
Damage-386 | 100 % | 161 % | 145 % | 850% |
Max-Damage | 100 % | 161 % | 145 % | 110 % |
Da die Parameter des Optimums sehr nahe an den Grenzen des Designraums liegen, sollte über eine Erweiterung des Parameterbereichs nachgedacht werden. Dazu waren allerdings gravierende Änderungen am FE-Netz nötig. Die gesteigerte Lebensdauer des Serienstandes gegenüber dem Zwischenstand wurde durch Bauteilversuche nachgewiesen. Auf Grund dieser Tatsache kann das Ergebnis der Optimierung durchaus als realistisch betrachtet werden. Für eine letztendliche Absicherung des Simulationsergebnisses sind Versuche mit dieser Geometrie durchzuführen.
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Bild 12. Fehlende Entlastungskerbe im optimierten Bauteil
In der vorliegenden Arbeit wurde die Lage einer Schweißnaht mit Hilfe der Lebensdauerberechnung optimiert. Durch einfache Geometrieänderung konnte die Optimierung die Lebensdauer im Bereich der Schweißnaht um 61 % erhöhen. Der größte Aufwand ist dabei die Parametrisierung der Schweißnaht. Durch die Verwendung eines parametrischen CAD-Modells und einer automatisierten Neuvernetzung konnte dies deutlich verbessert werden. Voraussetzung dafür ist allerdings eine Automatisierung der für FEMFAT nötigen Schweißnahtmodellierung. Für einen standardmäßigen Einsatz dieser Optimierungsmethode bei allen kritischen Schweißnähten an einem Achsträger muss die Methode z. B. hinsichtlich Morphing-Automatisierung und Rechen-zeit noch verbessert werden. Bei Schweißnähten, die entweder in der Lebensdauerberechnung oder im Bauteilversuch auffällig werden, bietet die Optimierung auch jetzt schon die Möglichkeit, innerhalb kurzer Zeit viele verschiedene Geometrien zu testen und deren Lebensdauer zu bewerten.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Басова, для колледжей / . – 3-е изд. – Ростов н/Д: Феникс, 2003. – 416 с.
2. Хайт, по переводу с немецкого языка на русский / . – Москва: ВШ, 2001. – 159 с.
3. Практика чтения и перевода технической литературы по специальности 1201 на материале немецкого языка: методические указания / Сост. , ; Волгоград. гос. техн. ун-т. – Волгоград, 2004. – 16 с.
4. Фролова, немецкого языка для специальности «Технология машиностроения»: учеб. пособие. Часть I / , ; ВолгГТУ, Волгоград, 2008. – 40 с.
5. Brune, M. Die Betriebsfestigkeitsberechnung als CAE-Werkzeug im Produktent-wicklungsprozess / M. Brune. – LMS Anwenderkonferenz, Nurburgring, 2000.
6. Radaj, D. Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen nach lokalen Konzepten / D. Radaj, C. M. Sonsino. – Verlag für Schweißen und Verwandte Verfahren, DVS-Verlag, Dusseldorf, 2000.
7. Tatsachen über Deutschland. Bertelsmann Lexikon Verlag, 2006.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие………………………………....………...…………… | 3 |
Урок 1. Тема: Цели и задачи организуемой самостоятельной работы студентов в рамках учебной дисциплины…...................…… | 4 |
Урок 2. Тема: Федеративная республика Германия (общие сведения)……….......…………………………….....….....……….…… | 11 |
Урок 3. Тема: Федеративная республика Германия (общественно-политическая жизнь)……................................................……………… | 15 |
Урок 4. Тема: Немецкоязычные страны (общие сведения)........... | 17 |
Урок 5. Тема: Немецкоязычные страны (общественно-поли-тическая жизнь)……….…… .......…............................…..….....……... | 19 |
Урок 6. Тема: Будущая специальность…...................…....…….. | 22 |
Урок 7. Тема: Специфика языка реферата и грамматико-стилис-тические средства изложения................................................................. | 25 |
Урок 8. Тема: Грамматические трудности, встречающиеся при переводе текстов по специальности……......……………...........……. | 29 |
Приложение: Тексты по специальности…..................................… | 42 |
Список рекомендуемой литературы……...…..................………... | 55 |
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