Konstruktionsunabhängige Massenabschätzung unter Verwendung der Topologieoptimierung

Eine neuartige Methode zur konstruktionsunabhängigen Masseabschätzung von Wagenkästen für Schienenfahrzeuge wird unter Verwendung der Topologieoptimierung dargestellt

CAE-driven design methodology for semi-autonomous product development for the next generation light weight vehicle structures

Passenger cell assembly makes up a large percentage of the overall structural weight of the BIW-design, and hence has a high lightweight potential. The structure of the passenger cell not only ensures a “rigid-like” behavior in different crash scenarios, it also contributes to comfort and driving characteristics with a high torsional and flexural stiffness. Applying topology optimization here can facilitate developing novel light-weight floor assembly designs. However, implementing topology optimization as an integral part of the product development process requires a new methodological approach that skillfully combines CAE-tools with analogy methods and data management systems for decision making. For transforming the load paths into a structural concept, a technical evaluation methodology for decision making has been developed. Here the qualitative design parameters, such as geometry and the material grade of e.g. sheet metal profiles and reinforcements, are determined based on packaging requirements and analogy methods. In case of contradictory geometrical and material requirements, decision making is facilitated using preference matrices

Freiformbarer DLR-Wabentank – Stand des Validierungsvorhabens bzgl. des neuartigen, roboterunterstützten Wickelprozesses.

Erdgas wird aktuell als CNG (Compressed Natural Gas) in zylindrischen Hochdrucktanks gespeichert. Zur effizienteren Nutzung des vorhandenen Bauraums und der damit eingehenden Reichweitenerhöhung ist die zylindrische Bauweise für zukünftige Fahrzeug-Generationen in Frage zu stellen. Hierzu wird am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V., durch systematisch und methodisch angewandten Leichtbau eine innovative Bauweise eines Hochdrucktanks, der „DLR-Wabentank“, entwickelt. Das patentierte Wabentankkonzept erzeugt dank der zu erzielenden Freiformbarkeit und der intensiven Nutzung von optimal ausgelegten Verstärkungsfasern die Möglichkeit neuartiger Bauraumnutzung bei minimaler Gewichtszunahme. Das Konzept besteht darin, dass dünne Aluminiumliner einzeln umwickelt, mit einem innovativen Fügekonzept miteinander verbunden und abschließend mittels eines neuartigen, roboterunterstützten Wickelverfahrens zum DLR-Wabentank kombiniert werden. Die Herausforderung die Zellen (erstmalig umwickelte Liner) frei miteinander kombinieren zu können, führt zu der Entwicklung eines adaptiven und robotergesteuerten Wickelverfahrens, dem 3D-Wickeln. Das neuartige Fertigungsverfahren bietet in Kombination mit dem Wabentank-Konzept einen Volumengewinn von bis zu 38% gegenüber konventionellen CNG-Speichersystemen, bezogen auf den vorhandenen Bauraum im Fahrzeug. Die erzielte Bauraumadaptivität, Flexibilität und die Möglichkeit eines modularen Aufbaus bieten einen gesteigerten Kundennutzen, wodurch der „DLR-Wabentank“ sowohl für Automobilhersteller als auch Zulieferer von Interesse sein wird. Aktuell befindet sich das Wabentankprojekt in der Validierungsphase (August 2012 bis August 2014). Ziel ist es, den vollständigen Fertigungsprozess durch automatisierbare und seriennahe Herstellungsprozesse aufzubauen und durch relevante Versuche zu validieren. Es wird verstärkt auf die Herausforderungen, Möglichkeiten und erzielten Fortschritte des Fertigungskonzeptes und des Gastanks eingegangen. Zum Zeitpunkt der Fachtagung kann die vollständige faserverbundintensive Fertigungskette und die Leistungsfähigkeit der neuen Bauart vorgestellt werden

Freiformbarer DLR-Wabentank - Aufbau, Eigenschaften und Charakteristika des CNG-Tanks

Erdgas wird aktuell als CNG (Compressed Natural Gas) in zylindrischen Hochdrucktanks gespeichert. Zur effizienteren Nutzung des vorhandenen Bauraums und der damit eingehenden Reichweitenerhöhung bietet die zylindrische Bauweise nur noch eingeschränkt Verbesserungspotenzial. Um dieses Potenzial zu erweitern wird im Forschungsfeld Leichtbau und Hybridbauweisen am Institut für Fahrzeugkonzepte des DLR e.V., durch systematische Anwendung von Leichtbaumethoden eine innovative Bauweise eines Hochdrucktanks entwickelt. Das patentierte Wabentankkonzept, der „DLR-Wabentank“, erzeugt dank der zu erzielenden Freiformbarkeit und der intensiven Nutzung von faserverstärkten Kunststoffen die Möglichkeit neuartiger Bauraumnutzung bei minimaler Gewichtszunahme. Das Konzept besteht darin, dass dünne Aluminiumliner einzeln umwickelt, mit einem innovativen Fügekonzept miteinander verbunden und abschließend mittels eines neuartigen, roboterunterstützten 3D-Wickelverfahrens zum DLR-Wabentank kombiniert werden. Innerhalb des Entwicklungsprozesses wurden systematisch vereinfachte Teilsysteme betrachtet. An einer runden Einzelzelle (Monozeller) wurden die Dehnbarkeit der Schweißnähte und die Tragfähigkeit des Laminats nachgewiesen. Das Verbindungskonzept wurde exemplarisch an einer einzelnen Teilverbindung druckbeaufschlagt und somit verifiziert. Zuletzt erfolgten Versuche des roboterunterstützten 3D-Wickelverfahrens, die anhand eines Kunststoffmodells erfolgreich das Verfahren zeigten. In Ergänzung zur realen Entwicklung wurden FE-Simulationen durchgeführt, um bereits während des Entwicklungsprozesses Erfahrungen bezüglich des Einflusses der Fertigungsschritte auf die Belastbarkeit zu erhalten. Der letzte Schritt der Simulationskette ist eine Berechnung des gesamten Wabentanks zur Verifikation der Gesamtstruktur auf Berstdruck. Der Vortrag bietet einen Einblick in den automatisierten Fertigungsprozess, die nachgewiesenen Eigenschaften und die Herausforderungen und Ergebnisse der Strukturberechnung, mit der das DLR an einem bauraumadaptiven und modularen Hochdrucktank entwickelt

Methodische Vorgehensweise zur Erstellung leichtbauoptimierter Zugkonzepte

Signifikante Massereduzierungen lassen sich durch systematische Anwendung von Leichtbaustrategien realisieren. Aus diesem Grund wurde am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V., Stuttgart, eine methodische Vorgehensweise entwickelt, die es erlaubt, das Leichtbaupotenzial von Wagenkästen in Abhängigkeit von verschiedenen Zugkonzepten zu untersuchen. Hierbei werden Hüllen generischer Wagenkästen einer Topologieoptimierung unterzogen. Anhand der daraus resultierenden optimierten Strukturen werden konstruktionsunabhängig Abschätzungen der Wagenkastenmasse abgeleitet. Diese werden um die Massen von Ausrüstungskomponenten ergänzt, sodass die Masse eines vollausgerüsteten virtuellen Wagenkastens entsteht. In Abhängigkeit von den zulässigen Radsatzlasten werden geeignete Fahrwerke gewählt und die Teilfahrzeuge zu einem kompletten Zugkonzept kombiniert. Abschließend können in Abhängigkeit von der Wagenkastenlänge unterschiedliche Zugkonzepte hinsichtlich ihrer Leichtbaupotenziale gegenübergestellt und verglichen werden