Die Aufgabenstellung
Ein deutscher Automobilzulieferer beauftragte unser CU-Mitglied ar engineers GmbH 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 wurde der Ansatz der numerischen Optimierung gewählt.
- 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, es wurde der 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 wurde der 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
- Direkte Absprachen mit dem Kunden und dem Fertigungsunternehmen ermöglichten einem reibungslosem Ablauf des Projekts
Unser Weg
Die Erfahrung im Umgang mit komplexen Projekten gepaart mit der Leichtbau-Expertise und der Kenntnis der automatisierten numerischen Optimierung half ar engineers, die Anforderungen des Kunden bestmöglich zu erfüllen und dabei die engen Timings und Budgetvorgaben zu erreichen.
