Topologioptimering av gjutgods

(1)

2010-001

- erfarenheter från VI-projektet

(2)

(3)

Swerea SWECAST AB Projekt nr Projekt namn

Status

Öppen 1664 VI – VIkt och volymintelligenta gjutna konstruktioner

Författare Rapport nr Datum

Martin Risberg 2010-001 2010-06-24

Sammanfattning

För att minska energiåtgången världen över behövs vikteffektiva konstruktioner. Lättare gjutgods kräver mindre energi vid framställningen och energieffektivare transporter blir resultatet av att vikten på lastbilar och andra trasportfordon minskas. Ett sätt att nå dit är att använda verktyget strukturoptimering.

Strukturoptimering är idag väletablerad inom konstruktion och produktutveckling och har använts inom området i nästan två decennier. Strukturoptimering ger generellt bättre konstruktioner och kortare tid för att ta fram nya konstruktioner. Det ger även kortare tid till marknad och mindre utvecklingskostnader. Simuleringsverktyget får hitta det bästa möjliga konceptet och sedan förfina det istället för att ingenjören gör grovarbetet. Ingenjören kan fokusera på att förfina konstruktionen istället.

Detta arbete har bedrivits i tätt samarbete med industripartners. Verkliga komponenter har använts med ett mål för viktbesparingar på 20 – 30 %. Projektet har koncentrerats mot stål och segjärnskomponenter till bussar, lastbilar, hjullastare och grävmaskiner. Viktminskning tillsammans med oförändrade eller förbättrade mekaniska egenskaper har drivit arbetet framåt.

Verktyget för att nå målet har varit topologioptimering. Mjukvaran OptiStruct, som ingår i HyperWorks, har använts vid analyserna. Modellerna är skapade i HyperMesh och resultatet är visualiserat i HyperView. Resultatet av topologi-optimeringen har tolkats utifrån ett gjutperspektiv.

Utöver de faktiska vikt målen har detta delprojekt: Konstruktionsoptimering till syfte att initiera och inspirera läsaren att använda och förstå strukturoptimering. Rapporten beskriver strukturoptimering och de ingående delarna topologi- och formoptimering. Redogörelsen visar också hur optimering kan användas för att få lättare och bättre konstruktioner i befintliga och kommande produkter, med fokus på gjutna detaljer.

Nyckelord:

Strukturoptimering, topologioptimering, optimering, simulering, konstruktion, gjutgodskonstruktion, produktutveckling, OptiStruct.

Summary

Weight efficient designs are needed to decrease the energy use world wide. A lighter casting uses less energy at manufacturing and used in vehicle the transports are more energy efficient. One way to get lighter designs is to use the tool structure optimisation.

(4)

Structure optimisation is to day well established within design and product development, it has been used in this area for two decades. Structure optimisation results generally in better design in shorter time. This reduces the time-to-market and less developments costing. The simulation finds the best concept and refined the result instead of the engineer doing the “heavy labour “. The engineer cans the do the tuning of the design instead.

This work has been carried out in close cooperation with the industry. Reel components have been used with weight reduction target of 20 – 30 %. The project has focused on steel and ductile iron components to busses, trucks, wheel loaders and excavators. Weight reduction with unchanged or improved mechanical properties has driven the work forward.

Topology optimisation has been used in the work. OptiSruct, which is a part of HyperWorks, has been used in the analysis. The models were made with HyperMesh and the results were studied in HyperView. The results of the topology optimisation were interpreted to a cast design.

On top of the weight reductions target for the components this part of the project; Design optimisation has the objective to initiate and inspire the reader to use and understand structure optimisation. The report describes structure optimisation and the parts topology and shape optimisation. The report also shows how optimisation can be used to make lighter and improved design in existing and coming products, with focus on cast components.

Keywords:

Structure optimisation, topology optimisation, optimization, simulation, design, design of castings, product deveoplment, OptiStruct.

(5)

Swerea SWECAST AB Rapportnr 2010-001

Innehållsförteckning

1 TILLKOMST ... 1 2 INLEDNING... 1 3 SYFTE OCH MÅL ... 2 4 STRUKTUROPTIMERING ... 2 4.1 TOPOLOGIOPTIMERING... 4 4.2 FORMOPTIMERING... 5

4.3 PRODUKTUTVECKLING MED OPTIMERING... 6

5 INDUSTRIEXEMPEL ... 7 5.1 HIAB–SVÄNGHUS... 8 5.2 INDEXATOR –REDSKAPSFÄSTE... 10 5.3 SCANIA... 12 5.3.1 Motorfäste... 12 5.3.2 Växellådsbalk... 13 5.4 VOLVO 3P–KONSOL... 15

5.5 VOLVO BUSS –KONSOL... 17

5.6 VOLVO CONSTRUCTION EQUIPMENT –RÖRSTAG... 19

5.7 SAMMANFATTNING AV INDUSTRIEXEMPEL... 20

6 OPTIMERING AV GJUTNA PRODUKTER... 21

6.1 OPTIMAL PROCESS... 21

6.2 OPTIMERA RÄTT... 22

7 SLUTSATS ... 24

8 FORTSATT ARBETE... 24

(6)

(7)

Swerea SWECAST AB Rapport nr 2010-001

1 Tillkomst

Denna rapport ”Topologioptimering av gjutgods - erfarenheter från VI-projektet” har tagits fram av Swerea SWECAST AB inom VI-projektet, VI – VIkt och volymintelligenta gjutna konstruktioner. Projektet har finansierats av VINNOVA med totalt 3 875 000 kr.

Rapporten utgör slutrapport i delprojektet Konstruktionsoptimering och är skriven av Martin Risberg vid Swerea SWECAST AB. Martin Risberg, Sargon Jidah och Andreas Carlsson, alla anställda på Swerea SWECAST AB, har utfört topologioptimeringarna som visas i rapporten.

De medverkande företagen har varit:

 Cargotec Sweden AB (f.d. HIAB AB), Johan Åkerlund och Svante Widehammar

 Indexator AB, Richard Larker m.fl.  Scania CV AB, Kerstin Richnau m.fl.  Volvo 3P, Richard Söder m.fl.

 Volvo Buss AB, Magnus Torgilsson

 Volvo Construction Equipment AB, Kenneth Åsvik m.fl.

Arbetet har skett i nära samarbete med de inblandade företagen. Personer på respektive företag har utfört konstruktions-, beräknings- och provningsarbetet. Författaren tackar alla inblanda personer för ett gott samarbete och önska dem lycka till med fortsatta optimeringar av gjutgods.

2 Inledning

För att minska energiåtgången globalt behövs vikteffektiva konstruktioner. Ett sätt att nå dit är att använda strukturoptimering för att skapa lättare konstruktioner i industrin. Lättare gjutgods kräver dessutom mindre energi vid framställningen. Optimeras även detaljen ur ett gjutperspektiv kommer kvalitén att bli bättre och kassationerna att minska. Detta bidrar också till att minska energiåtgången. Energieffektivare transporter blir resultatet om vikten på lastbilar och andra transportfordon kan minskas.

Om man bortser från energivinsten så ger strukturoptimering bättre konstruktioner och kortare tid för att ta fram nya konstruktioner. Hela produktutvecklings-processen kan kortas vilket ger kortare tid till marknad och mindre kostnader i mantid för utvecklingen. Man låter helt enkelt datorn hitta det bästa möjliga konceptet och sedan förfina det automatisk.

Detta arbete är en del i inom VI-projektet, VI – VIkt och volymintelligenta gjutna konstruktioner. VI-projektet har syftat till att etablera en Teknikplattform för vikt- och volymintelligenta lösningar inom avancerade gjutna konstruktioner. Målet med temat var en kunskapsuppbyggnad av hela produktkedjan från design och materialval via tillverkning och värmebehandling fram till bearbetning.

Projektet har koncentrerats mot stål och segjärnskomponenter till lastbilar, hjullastare, grävmaskiner och skogsmaskiner. Exempel på tillämpningar är

(8)

chassikomponenter till lastbilar och bussar samt kranar, lyftutrustning, verktygsfästen för skopor och andra redskap. Kunskap och information från temat kan appliceras på andra typer av branscher och produkter.

3 Syfte och mål

VI-projektet är uppdelat i olika delar som syftar till att skapa kunskapsupp-byggnad. Denna rapport behandlar området Konstruktion och Design.

Arbetet har bedrivits i tätt samarbete med industripartnerna. Verkliga komponenter har använts med ett mål för viktbesparingar på 20 – 30 %. Vikt-minskning tillsammans med oförändrade eller förbättrade mekaniska egenskaper har drivit arbetet framåt.

Utöver de faktiska viktmålen har delprojektet till syfte att initiera och inspirera läsaren att förstå strukturoptimering. Rapporten visar också hur optimering kan användas för att få lättare och bättre konstruktioner i befintliga och kommande produkter, med fokus på gjutna detaljer.

4 Strukturoptimering

Under detta kapitel presenteras metoden och de indelningar som är aktuella för den typen av applikationer delprojektet konstruktionsoptimering arbetat inom. Läsaren får även inblick i hur produktutvecklingsprocessen kan effektiviseras om strukturoptimering inkluderas.

Strukturoptimering är idag väletablerad inom konstruktion och produktutveckling. Det har använts i nästan två decennier och utvecklingen går fortsatt framåt. Strukturoptimering är den del av de matematiska konstruktionsoptimeringar som behandlar mekaniska strukturer vilka har till uppgift att bära last.

Metodiken bygger på att minimera en målfunktion, till exempel vikten eller spänning i en konstruktion, under förutsättning att vissa villkor är uppfyllda. Villkoren kallas tillståndsvariabler och designvariabler. Tillståndsvariabler är typiskt förskjutning, spänning, töjning eller kraft vid en given last. Designvariabler är typiskt parametern som beskriver vad som kan förändras under optimeringen, vanligen geometri, material eller tjocklek.

Den generella matematiska formuleringen är: min (x) x f (1) s.t. (2)          

R

n i i n i för h m i för g x x x ,..., 1 0 ) ( ,..., 1 0 ) (

I ekvation (1) är f (x) målfunktionen som skall minimeras. Medan ekvation (2) är uppfylld, g (x) och h (x) är bivillkor. Det gäller att bestämma designvariablerna x så att målfunktionen uppfylls under bivillkoren.

När man arbetar med simulering och produktutveckling är det vanligt att konstruktionen modifieras något och analyseras i flera steg med mindre

(9)

geometriändringar emellan. Denna metod kan kallas den iterativt-intuitiva. Strukturoptimering är konceptuellt skild från detta. Vid denna metod formuleras ett matematiskt optimeringsproblem där funktionskraven utgör bivillkor och begreppet ”så bra som möjligt” ges en specifik matematisk innebörd. På detta sätt kan konstruktionsprocessen automatiseras i mycket högre grad än vid den iterativt-intuitiva metoden.

Strukturoptimering brukar delas in i olika kategorier indelade efter vilka geometriska storheter hos strukturen som varieras med hjälp av designvariablerna

x. En gemensam sak för alla dessa är att analysen bygger på en diskretisering av

strukturen som skall optimeras. Denna diskretisering görs vanligen med ett Finita Element nät.

De olika kategorierna som visas i Figur 1 och är:

 Topologioptimering: Den mest generella formen av strukturoptimering. Variationen åstadkoms genom att släcka och tända element i modellen, se vidare avsnitt 4.1 Topologioptimering. Designvariabeln x kan ses som en densitet1 vilken antar värden mellan 0 och 1 beroende på om elementet saknas eller existerar, se vidare i Strukturoptimering [1].

 Storleksoptimering: Beskriver någon typiskt tjocklek hos strukturen, används för skivor, stänger, balkar och plattor.

 Formoptimering: Designvariabeln x beskriver konturen på strukturen, dvs. dess form. Värt att notera är att inga nya ränder kan skapas, endast formen på existerande kan ändras, se vidare avsnitt 4.2 Formoptimering.

Storleks-optimering Form-optimering Topologi-optimering

Figur 1. Exempel på klassificeringar av strukturoptimering. Till vänster visas topologioptimering och till höger de två besläktade varianter av formoptimering, storleks- respektive formoptimering. Bild från [1].

Vid både topologi- och formoptimering kan kontaktvillkor inkluderas i beräkningen. Med dagens datorkapacitet är de längre simuleringstiderna ett stort problem. Ofta kan ett normalt randvillkor som är väl genomtänkt vara en god approximation med kortare beräkningstider.

I litteraturen finns mycket skrivet om strukturoptimering, några exempel på litteratur att läsa för den som vill fördjupa sig ytterligare är Strukturoptimering [1] och Topology Optimization; Theory, Methods and Applications [2].

1_{Ej densitet i fysikalisk mening.}

(10)

4.1 Topologioptimering

Målet med topologioptimering är att placera materialet på ett sådant sätt att det kommer till bäst användning under det att bivillkoren är uppfyllda. Ofta väljer man hur stor del av utgångsvolymen som skall innehålla material vid analysens slut. Fokus brukar vara att maximera styvheten, dvs. minimera deformationerna. Målfunktionen är att minimera volymen eller massan för givna laster. Generellt utförs topologioptimering före formoptimering. Topologioptimering ger de mest gynnsamma kraftvägarna i detaljen. Analysen ger håligheter och ”nya” kanter i tillgänglig volym. Resultatet måste tolkas till en ny konstruktion.

Figur 2. Exempel topologioptimering, till vänster initial och till höger optimal design, bild från [3].

Den användbara eller tillgängliga volymen, ofta kallad designvolym, diskretiseras med ett Finita Element nät och laster samt randvillkor appliceras. Målfunktion och bivillkor definieras och analysen utförs. Det finns ett flertal kommersiella mjukvaror som kan utföra topologioptimeringar. Mjukvaran tar bort element som inte behövs i designvolymen för att nå optimal form för det givna problemet. Det finns mer att läsa i [1] och [2] tillsammans med ett flertal exempel.

Matematiskt formuleras detta med att använda en densitetsfunktion på varje elements bidrag till den globala styvhetsmatrisen. Den grundläggande FE-formuleringen visas i ekvation (3). Denna formulering expanderas med en elementdensitetsfunktion, se ekvation (4). För att få en tydligare karakterisering av material/icke material läggs en exponent till i formuleringen, se ekvation (5) nedan [2].

f u

K  (3)

f är lastvektorn, u är förskjutningsvektorn och K är den globala styvhetsmatrisen

för modellen.

 

ρ u f

K  (4)

styvhetsmatrisen K är nu beroende av vektorn ρ som visar materialdensiteten i elementen. Effekt på en global styvhetsnivå kan nu skrivas

 

_

  N i i p i 1 K ρ K  (5) där Ki är elementstyvhetsmatrisen för element i. Exponenten p anges ofta till 2

eller 3 för att ge ett tydligare resultat, ibland kallat “svart-vitt” resultat, se vidare i [2].

(11)

Den som vill läsa om den senaste tiden utveckling inom området topologioptimering hänvisas till Topology optimization – broadening the areas of application [4]. Även Multi-Parameter Topology Optimization in Continuum Mechanics [5] visar på forskningen som bedrivs inom området.

4.2 Formoptimering

Vid formoptimering modifieras endast randen på komponentens volym. Kanten på designvolymen flyttas så att optimal design uppnås, se Figur 3. För det 3-dimensionella fallet flyttas ytorna och inte kanter. Skillnaden i resultat mellan topologi- och formoptimering är att hål och inneslutningar endast kan uppstå vid topologioptimering. Med hjälp av formoptimering kan spänningskoncentrationer och lokalt onödigt material tas bort.

F F

Figur 3. Exempel formoptimering, till vänster initial och till höger optimal design, bild idé från [5].

Designvariabeln x utgör vid formoptimering en parameterbeskrivning av en familj av strukturområden Ω (x). För varje x definieras ett linjärelastiskt randvärdes-problem med Ω (x) som integrationsområde. Centralt är att ange hur parameter-beskrivningen i praktiken skall gå till. Ett val är att välja koordinaterna hos några FE-nätets randnoder som designvariabler.

I praktiken görs detta genom att beskriva randen med någon av de ytbeskrivningar som är vanliga i CAD sammanhang: Beziersplines, B-splines, NURBs, etc. Det finns olika sätt att definiera möjliga former vid en formoptimering. En är att fördefiniera olika former genom att ”dra” i FE-nätet och skapa ett antal olika former som sedan mjukvaran kan skala och kombinera. Det är idag även möjligt att låta mjukvaran ganska fritt flytta ytorna i modellen.

Formoptimering är bäst att använda när man vill modifiera en befintlig konstruktion och resulterar inte i nya revolutioneranden koncept. Formoptimering brukar även användas efter att en topologioptimering slutförts.

Resultatet av en formoptimering är, generellt, enklare att omsätta i konstruktions- modifieringar än ett topologioptimeringsresultat. Resultatet behöver inte tolkas i lika stor grad som i topologioptimering fallet.

Generellt sett kräver formoptimering mer modelluppbyggnadsarbete än topologioptimering. Beräkningstider kan vara längre men resultatet av analysen uppväger väl detta då många konstruktionsändringar undersökts.

(12)

4.3 Produktutveckling med optimering

I traditionell produktutveckling kommer förslaget på hur detaljen skall se ut från konstruktionsavdelningen. Ofta bygger lösningen på en tidigare liknande detalj som man vet av erfarenhet håller. Troligen är den gamla designen överdimensionerad, åtminstone på ett flertal punkter. Det är den svagaste länken i en kedja som brister först, flertalet andra länkar kan vara kraftigt överdimensioner-ade. Virtuell- Konstruktion Prototyp Prov provning CAD

Figur 4. Schematisk processbeskrivning av traditionell produktutveckling. Konstruktionen går igenom den virtuella provningen, simulering med t.ex. finita elementmetoden. Normalfallet är att beräkningsingenjören hittar svaga områden och detaljen modifieras. Detta tillvägagångssätt kan ske flera gånger. När simuleringsgruppen kommit fram till att konstruktionen håller görs ofta en prototyp och sedan följer någon form av prov. Utfallet från provet bestämmer om ytterligare ändringar behöver göras. Figur 4 visar den traditionella produktutvecklingsprocessen. Man kallar även detta arbetssätt intuitivt-iterativt, typiskt tolkas simuleringsresultatet och spänningsanvisningar tas bort innan nya simuleringar görs för att verifiera förbättringen.

När strukturoptimering inkluderas i produktutvecklingsprocessen kommer effektiviteten att öka. Anledningen till detta är att mer kunskap om detaljen kommer tidigare i projektet. Detta gör att mindre tid behövs i konstruktionsfasen. Topologioptimering ger konstruktören ett konceptförslag. Det kan vara en lösning som inte någon tänkt på tidigare. Konceptförslaget har material där det effektivast kan bära lasterna. Konstruktionsprocessen är fortfarande väldigt viktig, kanske ännu viktigare än tidigare. Nu ställs det högre krav på konstruktören. Denna måste tolka resultatet till ett konceptförslag. Konstruktören måste förstå vilka förenklingar beräkningsingenjören gjort vad gäller randvillkor och laster.

Figur 5. Schematisk processbeskrivning av produktutveckling med optimering i arbetet.

Figur 5 visar utvecklingsprocessen med strukturoptimering inkluderat. Används även formoptimering kommer mindre justeringar att göras på detaljen innan slutgiltig analys görs före det att prototypen beställs. Konstruktionen har genomgått flera automatiska justeringar som inte behövts göras i CAD. I bästa fall behöver inte några konstruktionsändringar göras efter prov.

Koncept Virtuell-

provning Konstruktion

(13)

Figur 6. Påverkan av optimering i utvecklingsprocessen.

Figur 6 visar hur kunskapskurvan för detaljen kan öka snabbare med optimering. Ju längre ett konstruktionsarbete fortskrider desto mindre ändringar kan man göra, både pga tidsbrist och kostnadsökning. Detta illustreras med den gula kurvan i figuren. Samtidigt som friheten att ändra konstruktionen minskar, ökar kunskapen om detaljen, detta visas med den orange kurvan i figuren. Figur 6 visar med de gula och orangea kurvorna det intuitiva-iterativa arbetssättet. Om rätt koncept väljs från början kan kunskapskurva ändra form, den vitstreckade linjen. Inkluderas även formoptimering kan den totala tiden kortas ytterligare.

Figur 7. Lämpliga skeden i utvecklingsprocessen att använda topologi- och form-optimering.

Det har i texten ovan angetts att topologioptimering används först och sedan form-optimering. Egentligen kan båda användas oberoende av varandra eller i sekvens. Det finns även överlapp i när de kan användas. Figur 7 visar när respektive optimeringsmetodik lämpar sig bäst.

5 Industriexempel

I detta kapitel beskrivs sju exempel från industriernas arbete i delprojekt. Komponenterna är verkliga och hämtade från industrin.

Arbetet har utförts med utgångspunkt från originalgeometrin och tillgängligt utrymme. Detta tillsammans med laster som väl representerar de som komponenten utsätts för under sin livslängd är grunden för topologioptimeringen.

Topologioptimering Formoptimering Koncept Virtuell- provning Prototyp Konstruktion CAD Prov

(14)

I varje enskilt fall har inverkan från angränsande detaljer bedömts. Topologi-optimeringarna har utförts med och utan tillverkningsbivillkor. Dessa villkor har varierat från komponent till komponent men oftast har dragriktningar, delningsplan och minsta respektive största sektionsstorlek använts i olika analyser av samma detalj för att skapa så mycket kunskap som möjligt om konstruktionen.

Tolkning av resultatet Geometriska- och

monteringsbegränsningar

Randvillkor och laster Tillverkningsvillkor Gjutanpassning Normal utvecklingsprocess Designvolym Ny konstruktion Topologi-optimering Originaldetalj

Figur 8. Schematisk processbeskrivning av arbetet med komponenterna. Resultatet av optimeringen har tolkats utifrån ett gjutperspektiv, bland annat kan en för tjock sektion ha omformats till två tunnare. Det nya geometriförslaget av komponenten har sedan genomgått respektive företags normala produkt-utvecklingsprocess med simulering, FME-analyser2, provning etc. Figur 8 visar en schematisk bild över hur arbete har bedrivits med komponenterna från industrin.

I denna rapport har inte spänningar hos komponenterna visats pga sekretess hos de inblandade industripartnerna. Detta hade annars varit ett effektiv sätt att se de gjorda konstruktionsförbättringarna på.

Verktyget som använts i arbetet är HyperWorks [3] med OptiStruct. Modellerna är skapade i HyperMesh och resultatet är visualiserat i HyperView. Detta gäller för alla sju exemplen.

5.1 HIAB – Svänghus

HIAB utvecklat bland annat kranar som monteras på lastbilar. HIAB-kranarnas starka produktprogram omfattar kranar för många lastkapaciteter. Lyftkapaciteten sträcker sig från 1 tonmeter till hela 92 tonmeter med räckvidder mellan 2 till 30 meter. Figur 9 visar mobilkranar i arbete. Komponenten som ingått i projektet är svänghuset, själva foten på kranen. Svänghuset är monterat i lastbilsramen.

För att bestämma geometrin för topologioptimeringsmodellen används originalgeometrin och tillgängligt utrymme. Resultatet visas i Figur 10. Inverkan från angränsande komponenter har bedömts som låg. Ramen som håller huset på plats har inte modellerats. Skruvarna är skapade med balkelement, cirkulärt tvär-snitt motsvarande minsta arean hos skruven, änden på skruvarna är låsta i alla translationsriktningar. Kuggstången som går horisontellt i huset och används för att rotera kranen har modellerats med balkelement med samma tvärsnitt som stången har i kuggroten. Kranpelaren har modellerats stel. Kontakten i lagerytorna har skapats med hjälp av stela element, se gröna element i figuren nedan. Totalt

2_{FMEA; Failure Mode Effect Analysis. Ett sätt att hitta och eliminera fel innan de får följder används under} produktutveckling.

(15)

har 12 lastfall använts, lastfallen motsvarar laster inom kranens yttre arbets-område.

Figur 9. Lastbilar med monterade HIAB XS-kranar i arbetet.

Figur 10 visar modellen, röda områden är låsta och kan inte ändras under analysens gång. Hela optimeringskedjan visas i Figur 11, från tidigare variant via optimeringsvolym och topologioptimeringsresultat till ny variant av komponenten.

Figur 10. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och gröna linjer representerar stela element som används för laster och randvillkor.

Ett kranhus behöver innehålla olja. Analyser har gjorts med icke-design material på första elementlagret inuti komponenten. Dessa analyser styrde dock resultatet för mycket och därför bestämdes att dessa ytor skulle komma fram i tolkningen. Viktreduktionen blev 9 % för svänghuset. Dessutom ökade kranen lyftkapacitet med 3 %. Skickligt konstruktörsarbete möjliggjorde dessutom spänningsreduktion i kritiska radier. Detta ger komponenten ökad livslängd som ytterligare bonus. Svänghuset är idag färdigprovat och i produktion.

(16)

Figur 11. HIAB svänghus, uppe till vänster utgångskomponent, uppe till höger designvolym, nere till vänster resultat av topologioptimeringen och nere till höger ny konstruktion.

5.2

styckegods och ma

tillverkare av tiltrotatorer för grävm rket Rototilt. En Rototilt kom

möjligheter vid grävm visar hur Rototilten arbetar och sitter fäst på grävma

fäst på grävmaskin med fäste för skopa. Arbetet har behandlat

Indexator – Redskapsfäste

Indexator AB är världsledande på tillverkning av rotatorer för skogsbruk, terialhantering. Indexator är även en av världens ledande

askiner under varumä

binerar en roterande och tiltande grävrörelse vilket innebär helt nya askinsarbeten. Figur 12

skinen.

Figur 12. Rototilten, till vänster schematisk skiss på rörelsemöjligheterna och till höger Rototilten

själva fästet för redskapen.

Utgångspunkten vid skapandet av geometrin för topologioptimeringsmodellen var en tidigare variant av redskapsfästet. Detta tillsammans med idéerna för det nya fästet gav tillgängligt utrymme. Figur 13 visar modell och modelluppbyggnad,

(17)

röda områden är låsta och kan inte ändras under analysens gång. Inverkan från angränsande komponenter har bedömts som låg. Redskapsfästet skruvas i en snäckväxel som är mycket styv. Därför sattes ett vinkelrätt förskjutningsvillkor på ytan mot växelhuset. Skruvhålen låstes i övriga translationsriktningar. Lasterna appliceras i givna punkter, dessa punkter kopplas till modellen med stela element, gröna i figuren nedan. Totalt har 10 lastfall använts, lastfallen motsvarar typiska laster komponenten utsätts för när grävmaskinisten gräver i sten eller från olika typer av träffar med hårdare material. Även maxlastad skopa finns med bland lastfallen.

Figur 13. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och gröna linjer representerar stela element som används för laster och randvillkor.

Figur 14. Indexator redskapsfäste, uppe till vänster utgångskomponent, uppe till höger designvolym, nere till vänster resultat av topologioptimeringen och nere till höger ny konstruktion.

(18)

Hela optimeringskedjan visas i Figur 14, från tidigare variant via optimerings-volym och topologioptimerings resultat till ny variant av komponenten.

Redskapsfästet gjordes om från en variant bestående av ihop svetsade tjocka plåtar till en gjuten konstruktion. Viktreduktionen blev 10 % och flera utformningar bearbetas enkelt fram från samma utgångsgjutgods. Detta gav klara kostnads-besparingar för redskapsfästet. Fästet finns idag i produktion hos Indexator.

5.3 Scania

Scania är en ledande tillverkare av tunga lastbilar, bussar och industri- och marinmotorer. Dessutom tillhandahåller och säljer företaget ett stort utbud av tjänstrelaterade produkter. Scanias vision är att vara det ledande företaget i branschen genom att skapa bestående värde för sina kunder, anställda, aktieägare och andra intressenter. Figur 15 visar två olika Scania lastbilar.

Två olika motorkomponenter har utretts, båda är fästen och sitter fast i tive växellåda. Den första komponenten är ett motorfäste, se

motsvarar typiska väglaster komponenten utsätts för under drift.

Figur 15. Scania lastbilar, till vänster distributionsbil och till höger en anlägg-ningsbil.

Idag har lastbilen blivit det viktigaste transportmedlet för varutransporter. Målet med att minska vikten på en lastbil är att skapa energieffektiva bilar med lägre bränsleförbrukning. Transportbranschen behöver minska sina utsläpp för att bli ännu mer konkurrenskraftig. Detta sker samtidigt som myndigheter skärper emissionskraven steg för steg för alla fordonstillverkare.

motorblock respek

avsnitt 5.3.1 Motorfäste, och den andra är en balk, se avsnitt 5.3.2 Växellådsbalk. För båda komponenterna har angränsande detaljers inverkan och styvhet bedömts påverka resultatet av topologioptimeringen. De intilliggande komponenterna har modellerats linjär-elastiskt. För båda fästena har befintlig komponent använts som utgångspunkt. En möjlig utbredningsvolym har tagits fram med tanke på monterings- och utrymmesbegränsningar.

5.3.1 Motorfäste

Modellen av motorfästet visas i Figur 16. Blå f för det nya fästet. Röda områden är låst från gummidämpare. De gröna linjerna sammankoppling med motorblocket och som dämparen. Den del av motorblocket som motorblocket är låsta ortogonalt mot ytan. T

ärg visar möjlig utbredningsvolym a och utgör här skruvhål och lastinföring

visar stela element som används för lastinföringspunkt från modellerats visas grå. Snittytorna i

talt har 6 lastfall använts, lastfallen o

(19)

Hela optimeringskedjan visas i Figur 17, från tidigare variant via optimerings-volym och topologioptimeringsresultat till ny variant av motorfästet. Viktreduk-tionen blev 27 % och antalet fästpunkter kunde minskas från fyra till tre med bibehållen funktion. Komponenten har utmattningstestats i rigg med godkänt resultat.

Figur 16. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och gröna linjer representerar stela element som används för lastpåläggning och koppling till angränsande grå komponent.

Figur 17. Scania motorfäste, uppe till vänster utgångskomponent, uppe till höger designvolym, nere till vänster resultat av topologioptimeringen och nere till höger ny konstruktion.

nya fästet. Röda områden är låsta och utgör här skruvhål. De gröna delarna utgör

5.3.2 Växellådsbalk

(20)

fästen för gummidämparna. De vita linjerna är stela element som används för sammankoppling med dämparinfästning och växellåda. Växellådskåpan som ingår i modellen visas orange. Ett par punkter i fästena för gummidämparna i modellen låses i olika riktningar för att förhindra translation av modellen. Totalt har 4 lastfall använts, lastfallen motsvarar typiska väglaster komponenten utsätts för under drift.

Alla delstegen i optimeringskedjan visas i Figur 19, från tidigare variant via optimeringsvolym och topologioptimeringsresultat till ny variant av balken. Vikt-reduktionen blev 20 % för den nya balken. Scania har utfört livslängdsanalyser men utvecklingen av komponenten har inte fortsatt pga konjunkturläget.

Figur 18. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och vita linjer representerar stela element som används för lastpåläggning och koppling till angränsande komponenter, gröna och orange.

Figur 19. Scania växellådsbalk, uppe till vänster utgångskomponent, uppe till höger designvolym, nere till vänster resultat av topologioptimeringen och nere till höger ny konstruktion.

(21)

5.4 Volvo 3P – Konsol

Volvo Lastvagnar är en av världens största tillverkare av tunga lastbilar. Mer än 90 procent av produktionen är lastbilar i den tyngre klassen, över 16 ton. Volvo Lastvagnar skapar tillförlitliga transportlösningar för kunder över hela världen. Att minska den inverkan som transporterna har på miljön till en långsiktigt godtagbar nivå är en av de stora utmaningarna för bil- och transportindustrin. Volvo Lastvagnar arbetar aktivt med nya innovationer vilket skapar tekniska landvinningar som reducerar utsläpp och bränsleförbrukning. Volvo Lastvagnar försöker på detta sätt att skapa effektivare och långsiktigare transportlösningar. Figur 20 visar två moderna Volvolastbilar.

Figur 20. Två Volvolastbilar, till vänster distributionsbil och till höger en an-läggningsbil.

Volvo arbetar ständigt med att utveckla bränsleeffektiva motorer och fordon för att därigenom minskar avgasutsläppen. Mellan 1980 och 2001 har motorns effektivitet och den normala bränsleförbrukningen i en 40 tons lastbil av typen Volvo F12 eller FH12 förbättrats med 25 procent. Ett sätt att ytterligare öka bränsleeffektiviteten hos en lastbil är att minska tjänstevikten på fordonet3. Topologioptimering är ett effektivt verktyg för detta. I detta arbete har en hjul-upphängningskonsol valts som komponent.

Figur 21. Närliggande komponenter visas. Till vänster ses hur komponenten är placerad bak i bilen. Till höger visas monteringen i mer detalj.

Hjulupphängningskonsolens placering i lastbilen visas i Figur 21 med en delförstoring på upphängningen av bakaxel. Konsolen sitter monterad på ramen. Inverkan av angränsande detaljer i form av och styvhet har bedömts påverka

3_{För lastbilar är totalvikten given av lagkrav, ju lättare lastbilen är desto mer blir över till nyttig last (som ökar} transporteffektiviteten).

(22)

resultatet av topologioptimeringen. Den närmast intilliggande komponenten, ramen, har modellerats linjär-elastiskt med skalelement. Befintlig komponent har använts som utgångspunkt. En möjlig utbredningsvolym har tagits fram med tanke på monterings- och utrymmesbegränsningar.

Figur 22 visar modellen av hjulupphängningskonsolen med en delförstoring till höger. I denna förstoring kan elementen för lastinföringen ses som svarta streck. Dessa element är stela. Kopplingen mot rambalken är skapad med balkelement, vars tvärsnitt motsvarar de minsta hos skruven, och stela element. De stela elementen motsvarar angreppsområdet för skruvhuvudet. I Figur 22 visar blått ruvhål och lastinföringsområden. Den del av rambalken som modellerats visas beige. Punkter på snittytorna i de, i Figur 22, korta balkarna ha

Figur 22. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och svarta linjer representerar stela element som används för lastpåläggning och koppling till angränsande komponent, beige.

iant av konsolen.

lev mycket gott. Livslängden område möjlig utbredningsvolym för det nya fästet. Röda områden är låsta och utgör här sk

låsts i alla translationsriktningar. Totalt har 4 lastfall använts, lastfallen motsvarar typiska väglaster komponenten utsätts för under drift.

Alla delstegen i optimeringskedjan visas i Figur 23, från tidigare konstruktion via optimeringsvolym och topologioptimeringsresultatet till ny var

Från ursprungsdetaljen söktes en ökning av hållfastheten. Detta i kombination med erfarenheter av gjutbarheten hos den befintliga konstruktionen gjorde att det inte fanns så mycket utrymme för viktminskning. Viktreduktionen blev på grund av detta endast 6 %.

Ett fokusområde blev att göra komponenten enklare att producera. Konstruk-törerna och beräkningsingenjörerna på Volvo 3P arbetade även med att öka konsolens livslängd. Resultatet av detta arbete b

ökade markant från föreslagen konsol till den skapad med topologi-optimeringsresultatet som grund. Idag finns den nya hjulupphängningskonsolen i både Volvo och Renault lastbilar.

(23)

konstruktion.

Det är viktigt att minska bränsleförbrukningen eftersom 90 procent av den totala miljöpåverkan från en buss uppstår när den används. Bränsleförbrukningen har sänkts med upp till 17 procent jämfört med tidigare motorgenerationer, enligt Volvo Buss. Figur 24 visar två varianter av Volvo turistbussar som finns på marknaden.

Figur 24. Volvo turistbussar där den analyserade konsolen finns med på motorn. Figur 23. Volvo 3P hjulupphängningskonsol, uppe till vänster utgångskomponent, uppe till höger designvolym, nere till vänster resultat av topologioptimeringen och nere till höger ny

5.5 Volvo Buss – Konsol

Volvo Bussar är en av världens ledande tillverkare av bussar och busschassier. Volvo Bussars produktprogram omfattar stadsbussar, intercitybussar och turist-bussar samt tjänster inom områdena finansiering, fordonsservice, fordonsdiag-nostik och trafikinformation.

(24)

Ett sätt att ytterligare öka bränsleeffektiviteten hos en buss är att minska totalvikten på fordonet. Topologioptimering är ett effektivt verktyg för detta. Här har en konsol för upphängningen av AC-kompressorn valts som komponent att arbeta med.

Figur 25 visar modellen av AC-kompressorkonsolen tillsammans med angräns-ande och last initierade komponenter. Till vänster syns en delförstoring. Den genomskinliga blåa volymen är möjlig utbredningsvolym för konsolen. Denna volym har tagits fram med hjälp av befintlig komponent tillsammans med tillgänglig volym. Även monteringsbegränsningar har lagts in i volymen. Röda områden är låsta och utgör här fästpunkter för skruvar.

Konsolen sitter monterad på motorblocket. Ett antal andra detaljer sitter fast i konsolen. För att få så korrekt belastning av komponenten som möjligt, utan att använda kontaktvillkor, har skruvarna modellerats med stela element. Alla övriga detaljer är linjär-elastiska i modellen.

Figur 25. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta. Angränsande komponenter syns i olika färger. Stela element används som kopplingar mellan komponenterna och för lastpåläggning.

Belastningen på denna detalj kommer från vägbanan i form av accelerationer. Dessa laster läggs på som krafter i masscentrum på respektive detalj, undantaget konsolen. Även laster från remmarna som driver generatorer och kompressor är

till topologioptimeringsresultat. Tyvärr har inte Volvo Buss haft något projekt att arbeta vidare med konsolen i. Optimeringsresultat har inte omsatts i en ny konstruktion av konsolen. Dock antyder topologioptimerings-inkluderade. För att föra in laster används stela element. Modellen låses i punkter motsvarande gummiinfästningarnas placering mot ram etc. Totalt har 6 lastfall använts i analysen.

Figur 26. Volvo Buss konsol till AC-kompressor, till vänster utgångskomponent, i mitten designvolym och till höger resultat av topologioptimeringen.

Alla delstegen i optimeringskedjan visas i Figur 26, ovan, från tidigare variant via optimeringsvolym

(25)

resultatet att vikten kan minskas med mellan 20 – 25 %. Resultatet visar även att en infästningspunkt för kompressorn är onödig. Detta kräver fortsatt analys och möjligen även en ändring av kompressorns utseende för att möjliggöra ändringen. Tydligt är att den befintliga fyrkantrörskonstruktionen bör göras om till en variant med ribbor. Den nya konstruktionen kommer då inte att behöva några kärnor när den gjuts vilket minskar produktionskostnaden.

5.6 Volvo Construction Equipment – Rörstag

globala anläggningsm

marknader. Företaget producerar ramstyrda dumprar, hjullastare,

et är en del i mekanismen

Figur 27. Hjullastare från Volvo Construction Equipment, fordonet har en mång-sidig användning.

Figur 28 visar modellen av rörstaget. För att få korrekt beteende i analysen har de angränsande lyftarmarna, gröna, inkluderats linjär-elastiska i modellen. Den

eringsvolym och topologioptimeringsresultat. Tolk-ningen av topologioptimeringsresultat är ännu inte omsatt i en ny konstruktion. Dagens utförande består av flera gjutna delar som svetsas ihop. Resultatet visar att ett helgjutet utförande är möjligt.

Volvo Construction Equipment är en av bara en handfull totalleverantörer på den askinsmarknaden. De tillverkar maskiner i alla stora produktkategorier och alla populära storlekar - från ett till 70 ton. Volvo Construction Equipment är det äldsta industriföretaget i världen som fortfarande är aktivt i anläggningsbranschen. Idag är Volvos produkter marknadsledande på många världs

grävmaskiner, väghyvlar, grävlastare, skidsteerlastare och väganläggnings-maskiner.

För att minska bränsleförbrukningen och möjliggöra högre last i skopan finns det intresse att minska vikten på vissa delar av hjullastare. Figur 27 visar en Volvo hjullastare i två olika arbetssituationer. I arbetet med Volvo Construction Equipment har rörstaget valts som komponent. Rörstag

för att röra skopan. Komponenten är högt lastad av interna, pga hydralikcylindrar, och externa laster.

genomskinliga blåa volymen är möjlig utbredningsvolym för konstruktionen. Denna volym har tagits fram med hjälp av befintlig komponent tillsammans med tillgänglig volym. Röda områden är låsta och utgör här lagerytor och mothållsklackar.

Belastningen kommer från olika lägen på skopan. Lasterna appliceras i centrum på de olika lagringspunkterna. För att få in lasterna på ett lämpligt sätt används stela element, rosa i Figur 28. Modellen låses i olika lagringpunkter omväxlande vid de olika lastfallen. Totalt har 8 lastfall använts i simuleringen.

Alla delstegen i optimeringskedjan visas i Figur 29, nedan. Från vänster till höger visas; tidigare variant, optim

(26)

Figur 28. Modellen för topologioptimeringen, genomskinliga blå delar är opti-meringsvolymen, röda områden är låsta och rosa linjer representerar stela

Topologioptimeringsresultatet antyder att vikten kan minskas med mellan 15 – skulle en helgjuten

genomgått riggprov med godkänt resultat. En är konstruerad men inte

går i HyperWorks-paketet [3], från Altair är ett användbart verktyg för optimering och utveckling av gjutna komponenter.

element som används för lastpåläggning. Angränsande komponenter är gröna.

Figur 29. Volvo Construction Equipment rörstag till skopmekanism, till vänster utgångskomponent, i mitten designvolym och till höger resultat av topologi-optimeringen.

20 %. Fortsatt analys och tolkning är nödvändig. Troligen

konstruktion minska kostnaden för detaljen. Tydligt är i alla fall att det befintliga rörets diameter bör ökas. Även siktförhållandena tros bli bättre med detta nya rörstag.

5.7 Sammanfattning av industriexempel

Sju olika komponenter har genomgått topologioptimering. Av dessa har tre gått hela vägen till produktion och finns idag i produkter. En är färdig för produktion efter att ha

testad. Två av komponenterna har genomgått topologioptimering men inte kommit vidare då optimeringarna är gjorda i närtid och projekten hos företagen är stoppade för stunden. Tabell 1. sammanfattar resultat av topologioptimeringarna och fortsatt arbete ute hos industripartnerna.

Alla komponenter har blivit lättare med samma eller bättre hållfasthet. Verktyget OptiStruct, som in

(27)

Tabell 1. Sammanfattning av resultaten av alla topologioptimeringarna.

Original

Vikt-Företag Komponent Kommentar

vikt reduktion

HIAB Svänghus 146 kg 9% Lyftkapaciteten på kranen ökade med 3%.

Indexator Redskapsfäste 65 kg 10% Från svetsad till gjuten konstruktion.

Scania Växellådsbalk 15 kg 20%

återstår.

Fortsatt konstruktionsarbete

Scania Motorfäste 6.8 kg 27% Riggprov klara och komponent godkänd.

Volvo 3P Konsol 30 kg 6% Livslängd i prov signifikant ökad

Volvo Buss AC-konsol 22 kg - Topologioptimering indikerar _{möjlig viktreduktion med ≈ 25%.} Volvo CE Rörstag 565 kg - Topologioptimering indikerar _{möjlig viktreduktion med ≈ 20%.}

Scania och Volvo-bolagen använder idag strukturoptimering i sin produkt-utvecklingsprocess, när så är möjligt. Både HIAB och Indexator har visat intresse för att använda verktyget när de skall utveckla nya varianter eller produkter i framtiden.

Swerea SWECAST förespråkar topologi- och formoptimering för svensk gjuteriindustri och dess kunder. Allra kraftfullast blir processen om gjutsimulering kopplas in så tidigt som möjligt i arbete, mer om detta i nästa kapitel, Optimering av gjutna produkter.

6 Optimering av gjutna produkter

Detta kapitel föreslår ett arbetssätt för optimering av gjutna komponenter och visar på vad som måste beaktas vid optimering generellt.

6.1 Optimal process

För att produktutvecklingsprocessen med strukturoptimering för gjutna kom-ponenter skall bli ”optimal” måste gjutsimulering inkluderas. Det är viktigt att så tidigt som möjligt inkludera gjutsimulering för att få en mer tillverkningsbar detalj från början. Det är inte alltid nödvändigt att initialt simulera formfyllnaden. En stelningssimulering kan ge viktig information. Figur 30 visar hur en sådan

Figur 30. Förslag på ”optimal” produktutvecklingsprocess för gjutgods med strukturoptimering.

utvecklingsprocess kan se ut.

CAD _CAD _CAD _CAD

Topologi-optimering Form-optimering Gjutsimulering Steg 2 Gjutsimulering Steg 1 FE-analys

(28)

Mellan varje simuleringssteg finns det ett konstruktionssteg som resulterar i en ny CAD-modell för vidare analys. Det första konstruktionssteget är det som skapar konceptet. Här tolkas topologioptimeringsresultatet till en gjuten konstruktion. Vid tolkningen är det bra att tänka på gjutbarhet och gjutgodskonstruktion, information om detta finns bland annat i Karlebo Gjuteriteknisk Handbok [6] och GUIDELINES – för utformning av gjutna komponenter [7].

Nästa steg är gjutsimulering (steg 1), för att göra mer rätt från början kan en enkel stelningssimulering visa vägen. En stelningssimulering är i detta fall en analys där materialet stelnar och svalnar i formen utan att simuleringen tar hänsyn till hur formen fylls, av metallen. Målet är att studera värmecentra och risk för krympning och porositet i detaljen. Detta ger ökad förståelse av hur komponentens utformning påverkar kvalitén och gjutbarheten. Denna information används vid modifieringen av CAD-modellen som följs av formoptimeringen. Formoptimer-ingen justerar lokala spänningsnivåer mot ett målvärde genom att ändra något på detaljens utformning. Detta görs på ett effektivt sätt jämfört med de normala intuitivt-iterativa arbetssättet vid manuell justering.

imulering som möjligt göras med formfyllnad och inverkan av

rådet topologioptimering av gjutgods har en del arbete bedrivits där Optimization änningar uppstår vid all

nten. Det är viktigt att förstå laster,

ning eller att höja ål; både viktminskning ch styvhetsökning att optimera mot.

et gäller att komma ihåg att topologioptimering bara ger ett förslag på designen. gsmetod men ofta är konstruktionsfriheten störst vid gjutn a påverkar också möjligheterna i tillverkning. Möjligheterna vid pressgjutning skiljer sig från m eterna formning. Sandgjutning i bentonitbunden sand och furansand påverkar restspänningarna hos detaljen i

m tor r n op a k formas.

Faktorerna har olika stor betydelse för olika typer av

Resultatet tolkas sedan och förs in i CAD-modellen. Nästa steg är att använda gjutsimulering till att anpassa detaljen ytterligare för gjutning. Nu bör en så komplett gjuts

ingjutssystem inkluderat. Modellen ändras efter resultatet av simuleringen och den normala FE-analysen utförs. Eventuella modifieringar görs och en prototyp av detaljen tillverkas och provas i lämpligt prov innan komponenten går i produktion.

Inom om

hänsyn till restspänningar från tillverkningsprocessen inkluderats, se of Castings by using Surrogate Models [8]. Restsp

tillverkning. Gjutprocessen skapar interna spänningar i detaljen pga att olika delar stelnar och svalnar olika fort. Spänningarna kan vara både positiva och negativa för detaljens livslängd då grundspänningstillståndet påverkas.

6.2 Optimera rätt

Optimering är riskfyllt. För att lyckas med strukturoptimering är det viktigt att ha förståelse för systemet runt omkring kompone

rankvillkor och hur närliggande komponenter påverkar. Även målet med optimeringen är viktigt att ha klart. Det är inte nödvändigtvis vikten som skall minskas, målet kan vara att minska utböjningen i en viss rikt

egenfrekvensen för t.ex. ett fäste. Kanske finns det två m o

D

Ett förslag som måste överföras till en design, lämplig för den tillverknin som är aktuell. Det är inte alltid gjutning är bästa tillverkningsmetoden,

ing. Olik gjutmetoder öjligh vid skal

olika grad. Figur 31 visar en onstruktionen skall ut

ängd fak er som påverka hur de timal

(29)

Figur 31. Schematisk bild över faktorer som påverkar optimalkonstruktion. ovan att belysas. Dessa kan ses som generellt betydelsefulla.

indre. Det kan nämnas att Audi använder 20 – 30 ering av motor- och växellådsfäste, jämfört med

ering i rsiella program

inkluderas vid alla strukturoptim

l av komponentprov. På

n om vilka förenklingar som kan göras i lika viktigt att prova på ett korrekt sätt jämfört med hur detaljen kommer att användas i produkten. Det kan

stämmelse trots att detaljen ”håller” vid normal provning. I listan nedan kommer några av faktorerna från figuren

 Robusthet, för att få robusthet i en optimerad komponent är lastfallen viktiga. Laster i andra riktningar än huvudlastriktningen är viktiga trots att de kanske är mycket m

lastfall vid topologioptim

4 – 6 vid slutgiltig simulering innan prototyp. Topologioptimering ger per definition ingen eller låg styvhet i en lastfri riktning.

 Monteringssituation, styvheten hos omgivningen påverkar. Det är viktigt att få rätt påverkan av omgivningen vid optimeringen. Om randvillkoren skiljer sig åt vid topologioptimeringen och riggprov kommer konstruk-tionen att få ett annat beteende när den provas jämfört med i simuleringen. Idag finns det möjlighet att inkludera kontakt vid topologioptim

komme

bör övervägas.

varor. Det bör övervägas om kontaktvillkor skall eringar. Även förspänning av t.ex. skruvar  Utfa

detta optim

l – beräkning

sät e

eringsprocessen. Självklart är det

, det är viktigt att dra lärdom t ökar kunskap

vara av intresse att öka lasten i simuleringen och prov för att se att det finns överens

Här finns också kunskap och förståelse att hämta.

 Design, viktigt att inte bryta lastvägarna när topologioptimeringsresultatet överförs till gjutbar konstruktion. Detta är ett klassiskt misstag. Beräkning och konstruktion får hjälpas åt med resultattolkningen. Egentligen är det samarbetet och den gemensamma förståelsen för designen som kan utvecklas. En öppen och bra dialog mellan de olika aktörerna borgar för en lyckad tolkning.

 Angränsande komponenter, inverkan från den optimerade konstruktionen är troligtvis annorlunda än från originalkomponenten. Detta gör att det kan

(30)

vara nödvändigt att analysera om detaljen som det optimerade fästet skall sitta fast i. För att se att den fortfarande uppfyller funktionskraven.

Alla punkter ovan kan sammanfattas med att förståelsen för metodens begräns-ningar och möjligheter är viktiga för att lyckas. Detta tillsammans med att kunna gjutanpassa komponenten är nyckelpunkterna i en lyckad konstruktion.

Att systematiskt använda strukturoptimering för alla delar i en sammansatt konstruktion kräver en effektiv simulerings utin för att hantera alla laster och

ponenter. En bra arbetskedja inkluderar

topologi-uktion är möjlig på flertalet av idag existerade produkter. Alla komponenter har blivit lättare med

thet och prestanda. Tre av detaljerna finns idag i

nsatt konstruktion kräver en effektiv simuleringsrutin för att hantera alla laster och resultat. Lyckas man med detta kan mycket vara vunnet i tid, tillverknings-kostnader och prestanda.

8 Fortsatt arbete

Utvecklingen av strukturoptimering fortgår världen över och fler och fler tillämp-ningar kommer succsessivt. Komplexare laster och kopplade analyser kommer att kunna appliceras framöver. Mycket arbetet görs för att kunna inkludera resultat. Lyckas man med detta kan mycket vara vunnet i tid, tillverknings-kostnader och prestanda.

7 Slutsats

Strukturoptimering är ett effektivt verktyg för att skapa vikt- och volym-intelligenta gjutna kom

optimering, enklare gjutsimulering, formoptimering och avslutas mer komplett gjutsimulering innan den normala virtuella provningen inleds.

Verktyget OptiStruct, som ingår i HyperWorks-paketet [3], från Altair är ett användbart verktyg för optimering och utveckling av gjutna komponenter.

Arbetet med de sju olika industriexemplen har visat att viktred samma eller bättre hållfas

produktion och ytterligare en är på god väg. En är konstruerad men inte provad i riggprov. De resterande två har ännu inte slutförts pga att projekten de ingått nedprioriterats eller strukits hos industripartnerna.

Scania och Volvo-bolagen använder idag strukturoptimering i sin produkt-utvecklingsprocess, när så är möjligt. Både HIAB och Indexator har visat intresse för att använda verktyget när de skall utveckla nya varianter eller produkter i framtiden.

Det finns en hel del att tänka på när strukturoptimering skall utföras. Flera av dessa fallgropar har belysts i rapporten. Förståelsen för metoden begränsningar och möjligheter är viktiga för att lyckas. Utöver att konstruktören skall kunna gjutanpassa komponenten.

Swerea SWECAST förespråkar topologi- och formoptimering för svensk gjuteri-industri och dess kunder. Allra kraftfullast blir processen om gjutsimulering kopplas in så tidigt som möjligt i arbete.

(31)

kontaktvillkor i lösningen av problemen. Detta finns i dag i akademiska koder och i några kommersiella. Nu gäler det att få kortare lösningstider.

Swerea SWECAST kommer att fortsätta arbeta med framför allt topologi-optimering vid utveckling av gjutna komponenter.

9 Referenser

[1] A. Klarbring och J. Petersson, Strukturoptimering, Institutionen för konstruktions- och produktionsteknik, Avdelningen för mekanik Linköpings universitet.

[2] M.P. Bendsøe and O. Sigmund, Topology Optimization; Theory, Methods and Applications, Springer New York, (2003).

[3] Altair Engineering Inc, Hyper Mesh 8.0 – 10.0, Online manual, (2007-2009).

[4] M.P. Bendsøe et al., Topology optimization – broadening the areas of application, Control and Cybernetics, 34 (1), pp. 7 – 35 (2005).

[5] M. Thellner, PhD Thesis, Multi-Parameter Topology Optimization in Continuum Mechanics, Department of Mechanical Engineering, Linköping University, (2005).

[6] Karlebo Gjuteriteknisk Handbok, Gjuteriinformation i Jönköping AB, (2004).

[7] S. Gustafsson Ledell, J. Haglind och E. Gustafsson, GUIDELINES – för utformning av gjutna komponenter, Svenska Gjuteriföreningen, rapport nr 050701, (2005).

[8] E. Gustafsson, Lic Thesis, Optimization of Castings by using Surrogate Models, Department of Mechanical Engineering, Linköping University, (2007).