Die Aufgabenstellung
Ein deutscher Automobilzulieferer beauftragte uns mit der Entwicklung eines Heckflügels für die Performance-Version eines britischen Roadsters. Diese Leichtbau-Carbon Variante sollte bei sehr hoher Steifigkeit und sehr geringem Gewicht noch ausreichend Festigkeit aufweisen. Zudem sollte sie sich perfekt in das aerodynamische Konzept dieses Sportwagens einfügen, um die Gesamtperformance zu gewährleisten. Der Lagenaufbau sowie etwaige innere Aufbauten waren zu Projektbeginn unbekannt und sollten von ar engineers bestimmt werden.
Die Herausforderungen und Lösungen im Detail
- Hohe Qualitätsanforderungen an die Optimierung aber auch Fertigungsplanung für dieses Bauteil, da die Maßhaltigkeit bei umströmten Bauteilen, die einen relevanten Beitrag zur Gesamtperformance liefern, sehr gut sein muss. Das ist die entscheidende Voraussetzung dafür, dass die hohen Leistungsdaten erreicht werden können.
- Die Gesamtstruktur des Flügels mitsamt Aufnahme am Chassis sollte 4,5 kg nicht überschreiten.
- Der Flügel sollte zudem eine hohe Eigenfrequenz (über 40 Hz) erreichen, um ein Flattern der Struktur zu verhindern.
- Dieses Bauteil sollte als Hohlstruktur aus Faserverbundlaminat ausgeführt werden.
- Die Innenstruktur und der Lagenaufbau für den Flügel waren zu ermitteln.
- Außerdem galt es, einer hohen Beschleunigung im Falle eines Frontalcrashs zu widerstehen.
- Wie schon gesagt, waren die Gewichtsanforderungen sehr hoch, so dass extremer Leichtbau notwendig war. Es sollte die beste Steifigkeit bei ausreichender Festigkeit und minimaler Masse gefunden werden. Deshalb wählten wir den Ansatz der numerischen Optimierung.
- Trotz der Leichtbauanforderungen durfte nur begrenzt Kohlefaser eingesetzt werden, da diese aufgrund ihrer leitenden Eigenschaften einen Funksender /Empfänger stören würde. Dieser Fakt musste bei der Bauteiloptimierung berücksichtigt werden.
- Deshalb wurden Lagenaufbau und Lagenanzahl sowie Lagenart parametrisiert, das bedeutet, wir haben den Lagentyp als auch die Anzahl der Lagen und die Faserausrichtung variiert und in unterschiedlichsten Kombinationen berechnet, um unter vielen hundert Lösungen das optimale Set-Up, also Materialdesign zu finden. Hierfür haben wir den Ansys Design Explorer verwendet unter Zuhilfenahme eigener in Python erstellter Skripte.
Unser Knowhow
Folgende Kompetenzen bei ar engineers führten bei diesem Projekt zum Erfolg:
- Hohe Expertise in der Konzeption und Realisierung von komplexen Projekten
- Sehr gutes Verständnis für Ultraleichtbau mit CFK /Carbon Composites
- Blick auf Umsetzbarkeit des Bauteiles trotz komplexem Lagenaufbau
- Expertise für numerisches Optimieren mit Ansys
- Automatisiertes Auswerten, um schnell auf sich ändernde Anforderungen vom Kunden eingehen zu können
- Unsere direkte Absprachen mit dem Kunden und dem Fertigungsunternehmen ermöglichten einem reibungslosem Ablauf des Projekts
Unser Weg
Unsere Erfahrung im Umgang mit komplexen Projekten gepaart mit unserer Leichtbau-Expertise und der Kenntnis der automatisierten numerischen Optimierung half uns, die Anforderungen unseres Kunden bestmöglich zu erfüllen und dabei die engen Timings und Budgetvorgaben zu erreichen.
Philip Lohde
Entwicklungs- & Berechnungsingenieur
Background: B. Eng. Flugzeugbau
Philips Lieblingsprojekt:
„Cool, dass mein Bauteil den Fahrspaß eines Supersportwagen verbessert.“
Den Heckflügel eines Supersportwagens zu entwickeln, war für mich eine spannende und herausfordernde Aufgabenstellung, da ich viele Freiheitsgrade für die Gestaltung des komplexen Entwicklungsprozesses hatte:
Im Rahmen des Projektes wurden von mir in mehr als zehn Iterationsstufen der optimale Lagenaufbau der Faserverbundstruktur ermittelt. Dieses Teilprojekt lief parallel zur Weiterentwicklung der Flügelgeometrie, dass auch von uns realisiert wurde. Dafür war es auch erforderlich, Interdependenzen der Teilprojekte zu berücksichtigen.
Das Optimieren von Lagenaufbauten ist gar nicht so trivial, wie man denkt, da es gilt, die verschiedensten Variablen wie: Lagenanzahl, Position, Bereich und Orientierung richtig einzustellen und simultan zu optimieren.
Ferner war ein permanenter und hochfrequenter Austausch mit dem Kunden notwendig, da Varianten des Bauteils, die in der Simulation gut aussehen, dem Kunden in der Fertigung Probleme bereiten könnten. Hier konnte ich mein Knowhow im Bereich Fertigungsplanung einbringen und auch durch den bilateralen Austausch weiterentwickeln.
Die Vorstellung, dass Käufer, die für diesen Supersportwagen viel Geld bezahlt haben, auch durch meine Mitarbeit viel Spaß an der Performance dieses Fahrzeugs haben, macht mich stolz. Fachlich reizte mich die komplexe Optimierungsaufgabe in Kombination damit, innerhalb kürzester Zeit auf geänderte Rahmenbedingungen zu reagieren und diese Struktur dann in einen reibungslosen Fertigungsablauf zu überführen. Durch unsere ausgeprägte Expertise in der Automatisierung von Berechnungen konnten wir das volle Potenzial der Laminatoptimierung ausschöpfen und Designschleifen in kürzester Zeit realisieren.