Optimale Positionierung und Auslegung von Mehrmassendämpfern innerhalb eines kombinierten Topologieoptimierungsverfahrens
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projektes ist es, den Einsatz eines MMD-Systems mit Topologieoptimierung zu vereinen, um die dynamischen Eigenschaften des Bauteils unter Berücksichtigung der statischen Eigenschaften der Struktur zu verbessern. Zunächst wird die BESO-Methode weiterentwickelt und implementiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung der Methode zur Berechnung der Sensitivitätsnummer. Durch die adaptive Gewichtung der statischen und der dynamischen Von-Mises-Spannungen berücksichtigt diese Berechnungsmethode die statischen und die dynamischen Eigenschaften der zu optimierenden Struktur gesamtheitlich. Außerdem wird eine Methode zur Berücksichtigung der SLM-Fertigungsrestriktion entwickelt und in die BESO-Methode integriert. Anschließend wird ein Algorithmus zur Erkennung der FE-Knoten auf den durch die Topologieoptimierung entstehenden Flächen innerhalb der Struktur entwickelt. Darauf basierend wird die in der ersten Förderphase untersuchte Methode zur Auslegung des MMD- Systems implementiert. Danach werden zwei Mechanismen zur Kopplung der Topologieoptimierung und des MMD-Systems implementiert und simulativ erprobt. Die Stabilitätsuntersuchung zeigt, dass der Einsatz des MMD-Systems nach der Topologieoptimierung zu einem stabilen Optimierungsprozess führen kann, wobei der Einsatz des MMD-Systems zwischen den Iterationen der Topologieoptimierung wegen der Instabilität nicht zielführend ist. Im FE-Simulationsmodell des kombinierten Optimierungsprozesses werden die einzelnen Dämpfer als Feder-Dämpfer-Elemente mit Punktmassen modelliert. Zur Erfüllung der geforderten Eigenfrequenzen der einzelnen Dämpfer wird ein durch das SLM-Verfahren herstellbarer Dämpfer ausgelegt. Der Dämpfer besteht aus einem Biegebalken mit einem Hohlvolumen, in dem nicht geschmolzenes Metallpulver verbleibt. Die Dämpfung wird durch die Reibung und die Kollision zwischen den Wänden des Hohlvolumens und des nicht geschmolzenen Metallpulvers generiert, wobei die Eigenfrequenz des Dämpfers durch die Variation des Biegebalkens einstellbar ist und durch die FE-Simulation vorhergesagt werden kann. Zur Bewertung des kombinierten Optimierungsprozesses werden drei Balken (Referenzbalken, optimierter Balken ohne MMD und optimierter Balken mit MMD) durch das SLM-Verfahren hergestellt. Die erste Eigenfrequenz wird durch die Topologieoptimierung um 151 Hz erhöht, wobei die maximale dynamische Nachgiebigkeit durch den Einsatz des MMD-Systems um 92 µm/N reduziert wird. Außerdem ist die statische Nachgiebigkeit nur leicht um 0,011 µm/N gestiegen, wobei eine starke Gewichtsreduktion von 601 g realisiert wird. Die messtechnischen Untersuchungen haben das Potenzial des kombinierten Verfahrens zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und zur Gewichtsreduktion unter Berücksichtigung der statischen Eigenschaften des zu optimierenden Bauteils validiert. Damit ist das Ziel dieses Projekts erreicht. Im Rahmen dieses Projektes wurden drei Biegebalken messtechnisch untersucht. Dies ist allerdings kein realer Anwendungsfall. Zukünftig ist es sinnvoll, das kombinierte Optimierungsverfahren zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften der Komponenten im Fertigungssystem unter Berücksichtigung der statischen Eigenschaften einzusetzen und den resultierenden Effekt durch die Bearbeitungsversuche zu bewerten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- On the combination of topology optimization and multiple mass dampers. In: Vibroengineering PROCEDIA, 2019
Brecher, C.; Zhao, G.; Fey, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.21595/vp.2019.21022) - Topology optimization for vibrating structures with the BESO method. In: Vibroengineering PROCEDIA, 2019
Brecher, C.; Zhao, G.; Fey, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.21595/vp.2019.20673) - Verteilte Mehrmassendämpfer für Werkzeugmaschinen. Dissertation. Apprimus-Verl. 2019
Schmidt, S.
- Untersuchung einer Methode zur Einstellung der Eigenfrequenz von mit dem SLM-Verfahren hergestellten Dämpfern. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 2022
Brecher, C.; Zhao, G.; Fey, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/zwf-2022-1088)
