Software: SimX - Nadelantrieb - Struktur-Optimierung - Grundlagen
Struktur-Optimierung wird im Folgenden unter dem Aspekt der ganzheitlichen Optimierung eines Gerätes (bzw. einer gerätetechnischen Baugruppe) betrachtet:
- Die Struktur eines Gerätes ergibt sich aus der wechselwirkenden Verbindung seiner Komponenten.
- Bisher haben wir mittels Parameter-Optimierung versucht, für eine vorhandene Struktur im Sinne der Bewertungskriterien optimale Lösungen zu finden. Die Struktur des Gerätes wurde dabei nicht verändert.
Es existiert ein qualitativer Unterschied zwischen den Optimierungstypen:
- Parameter-Optimierung befasst sich in diesem Sinne nur mit der Dimensionierung der zum Gerät verbundenen Komponenten. Das wird in der Literatur nicht einheitlich betrachtet. In der unten angegebenen Literatur-Empfehlung wird z.B. die Dimensionierung als ein Typ der Struktur-Optimierung behandelt.
- Struktur-Optimierung im Sinne einer ganzheitlichen Geräte-Optimierung bezieht sich auf die zielgerichtete Veränderung der Geräte-Struktur durch Änderung von Komponenten und ihrer wechselwirkenden Verbindungen. Veranschaulicht am Beispiel einer elektronischen Schaltung werden dabei Bauelemente oder Verbindungen entfernt bzw. hinzugefügt.
Industriell nutzbare Software-Pakete zur Struktur-Optimierung beschränken sich auf Topologie-Optimierung unter Nutzung von Finite Element Modellen:
- Damit kann man die räumlich-stoffliche Struktur einzelner Geräte-Komponenten (Bauteile) optimieren.
- Dies ist meist beschränkt auf die Berücksichtigung einer physikalischen Domäne (Strukturmechanik bzw. diverse Potential- und Strömungsprobleme).
- Das "Erfinden" einer neuen Geräte-Struktur durch freie Kombination und Verbindung unterschiedlichster Komponenten ist mit heutiger Software praktisch nicht möglich!
Favorisierte Lösungsvarianten für ein Gerät werden trotz optimaler Dimensionierung aller Komponenten noch Schwächen aufweisen. In der Praxis wird man versuchen, durch möglichst geringe Änderungen der Funktions- oder auch der Wirkstruktur diese Schwachstellen zu beseitigen:
- Der Austausch bzw. die Ergänzung einzelner Gerätekomponenten erfordert die Modifikation der vorhandenen Simulationsmodelle. Der Prozess der Modellbildung einschließlich der Modellvalidierung muss für jede Strukturänderung erneut durchlaufen werden!
- Jede Änderung einzelner Komponenten erfordert infolge der starken Wechselwirkung zwischen den Gerätekomponenten eine erneute ganzheitliche parametrische Optimierung des Gerätes.
- Die Analyse und Bewertung in Hinblick auf vorhandene Schwachstellen muss für die veränderten optimalen Lösungen erneut vorgenommen werden.
- Die Optimierung struktureller Details einer Lösungsvariante gestaltet sich zu einem iterativen Prozess. Infolge des hohen Anteils kreativer Ingenieurtätigkeit ist dieser Prozess der Struktur-Optimierung noch nicht vollständig automatisierbar!
Im Rahmen dieser Übung werden wir einen derartigen Prozess der gerätetechnischen Struktur-Optimierung gestalten. Damit werden wir die mittels Probabilistischer Simulation aufgedeckten Schwachstellen unseres Magnet-Antriebs beseitigen.
Literatur-Empfehlung: Harzheim, Lothar: Strukturoptimierung - Grundlagen und Anwendungen
