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KTM Technologies: Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmens hinsichtlich Festigkeit und Masse

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KTM Technologies: Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmens hinsichtlich Festigkeit und Masse

  1. 1. Seite 1Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmenshinsichtlich Steifigkeit und MasseANSYS Usersmeeting, Wien, 20. April 2013Dipl.-Ing.(FH) Sebastian Zapf
  2. 2. Seite 2Agenda Unternehmen Ausgangssituation Konzeptfindung Konstruktion & FEM-Modell Ergebnisse Zusammenfassung
  3. 3. Seite 3Unternehmen Consulting» Composite Technologie – gesamte Prozesskette» Automotive KleinserieUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung Technologie» Verfahrens- und Prozessentwicklung» Serientaugliche Halbzeuge» Class-A Verbundsysteme Produktentwicklung» Bauteil, System und Gesamtfahrzeug» Serienentwicklung & Konstruktion» Werkstoffe und Fertigungsverfahren» Serienüberleitung – inklusive CFK
  4. 4. Seite 4AusgangssituationUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung Aktueller Heckrahmen: Aluminiumschweißkonstruktion Obere Versteifungsstruktur : Stahl Fahrwerkslasten führen zu Strukturverformung Änderungen der Fahrwerkseinstellungzeigen wenig Effekt
  5. 5. Seite 5Ausgangssituation Konzeption und Entwicklung eines neuen Heckrahmens Masse um 20% senken Torsionssteifigkeit um 20% erhöhen Verschraubungen für Monocoque, Fahrwerk und Motorsollen beibehalten werdenUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  6. 6. Seite 6 Gitterrohrrahmen Rahmen aus Profilelementen Kastenrahmen MonocoqueKonzeptfindungUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  7. 7. Seite 7Konzeptfindung Stahl Aluminium Magnesium Kurzfaserverstärkte Kunststoffe Endlosfaserverstärkte KunststoffeUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  8. 8. Seite 8KonzeptfindungStahl Aluminium MagnesiumKurzfaser-verstärkterKunststoffEndlosfaserverstärkterKunststoffGitterrohrrahmen A1 B1 C1 D1 E1Profilelemente A2 B2 C2 D2 E2Kastenrahmen A3 B3 C3 D3 E3Monocoque A4 B4 C4 D4 E4UnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  9. 9. Seite 9Konzept Steifigkeit Faktor Masse Faktor Kosten FaktorFertigbar-keitFaktorFunktions-integrationFaktor Design Faktor SummeA1 3 3,80 1 4,20 4 4,60 5 3,20 1 2,60 1 1,20 53,80A2 5 3,80 2 4,20 5 4,60 5 3,20 2 2,60 3 1,20 75,20A3 5 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 61,40A4 5 3,80 1 4,20 2 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 49,60B1 1 3,80 1 4,20 5 4,60 5 3,20 1 2,60 1 1,20 50,80B2 2 3,80 2 4,20 5 4,60 5 3,20 2 2,60 3 1,20 63,80B3 2 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 50,00B4 2 3,80 1 4,20 3 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 42,80C1 1 3,80 1 4,20 4 4,60 4 3,20 1 2,60 1 1,20 43,00C2 2 3,80 1 4,20 5 4,60 4 3,20 2 2,60 3 1,20 56,40C3 1 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 46,20C4 2 3,80 1 4,20 2 4,60 1 3,20 4 2,60 3 1,20 38,20D1 1 3,80 1 4,20 5 4,60 3 3,20 1 2,60 1 1,20 44,40D2 1 3,80 1 4,20 5 4,60 3 3,20 2 2,60 3 1,20 49,40D3 1 3,80 1 4,20 4 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 46,20D4 1 3,80 1 4,20 3 4,60 2 3,20 4 2,60 4 1,20 43,40E1 2 3,80 3 4,20 4 4,60 3 3,20 1 2,60 1 1,20 52,00E2 5 3,80 5 4,20 4 4,60 3 3,20 2 2,60 3 1,20 76,80E3 5 3,80 2 4,20 3 4,60 3 3,20 3 2,60 2 1,20 61,00E4 5 3,80 2 4,20 3 4,60 4 3,20 5 2,60 5 1,20 73,00 Bewertung der 20 Konzepte bezüglich Steifigkeit, Masse, Kosten, Fertigbarkeit,Funktionsintegration und Design Gewichtete Bewertungskriterien Festlegung auf drei Hauptkonzepte1. Profilrahmen aus Stahl2. Profilrahmen aus CfK3. Monocoque aus CfKKonzeptfindungUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  10. 10. Seite 10Konstruktion & FEM-Modell Definition von drei statischen Lastfällen aus aufgezeichneten LastkollektivenUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung» Kurvenfahrt, Bremsen, Beschleunigen Zusätzlich statischen Lastfall Torsion zur Ermittlung der Torsionssteifigkeit
  11. 11. Seite 11Konstruktion & FEM-Modell Topologieoptimierung des vorhandenen BauraumsBremsenUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  12. 12. Seite 12Konstruktion & FEM-Modell Konstruktion der drei Hauptkonzepte Ausgehend von Ergebnissen der Topologieoptimierung1. CfK-ProfileKnoten aus Aluminium undkurzfaserverstärkten Kunststoffen2. Stahl-ProfileSchweißkonstruktion3. CfK-MonocoqueSandwich-Struktur mit PMI-Schaumund Aluminium-Einlegernan LasteinleitungsstellenUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  13. 13. Seite 13 Zuweisen der Materialeigenschaften» Stahl, Aluminium, Carbon-UD, SMC Preprocessing» Erstellen der Kontakte, Vernetzen unter Beachtung von Qualitätskriterien Feste Einspannungen an Verschraubungzu Monocoque Lasteinleitung über Remote-PointsKonstruktion & FEM-ModellUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  14. 14. Seite 14ErgebnisseUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungAnzuwenden auf Min. Max.Sicherheitsfaktor gegen FließenIsotropeMaterialien1,2 -Inverse Reserve Factorfür Puck Modified & Max. StressFVK-Bauteile - 0,5VerschiebungFahrwerks-anbindungen-Verschiebungswerte des aktuellenHeckrahmens Sicherheitsfaktor gegen Fließen für isotrope Materialien Inverse Reserve Factor (Puck Modified & Max.Stress) für FVK-Bauteile Max. Verschiebung an den Fahrwerksanbindungen
  15. 15. Seite 15Ergebnisse Lastfall: Kurvenfahrt» Zielverformung< 1,6mmProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungVerschiebung [mm]Profilrahmen Stahl 1,1Profilrahmen CfK 1,0Monocoque CfK 0,8
  16. 16. Seite 16 Sicherheitsfaktoren Lastfall KurvenfahrtErgebnisseProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungSicherheits-faktorIRFProfilrahmenStahl1,8 -Profilrahmen CfK 1,3 0,2Monocoque CfK 2,6 0,4
  17. 17. Seite 17 Lastfall: Bremsen» Zielverformung< 0,9mmErgebnisseProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungVerschiebung [mm]Profilrahmen Stahl 0,3Profilrahmen CfK 0,2Monocoque CfK 0,5
  18. 18. Seite 18 Sicherheitsfaktoren Lastfall BremsenErgebnisseProfilrahmen Stahl Monocoque CfKProfilrahmen CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungSicherheitsfaktor IRFProfilrahmenStahl2,5 -ProfilrahmenCfK4,5 0,1Monocoque CfK 6,2 0,4
  19. 19. Seite 19 Lastfall: Beschleunigen» Zielverformung< 0,6mmErgebnisseProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungVerschiebung [mm]Profilrahmen Stahl 0,2Profilrahmen CfK 0,2Monocoque CfK 0,4
  20. 20. Seite 20 Sicherheitsfaktoren BeschleunigenErgebnisseProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungSicherheits-faktorIRFProfilrahmenStahl3,0 -Profilrahmen CfK 3,5 0,1Monocoque CfK 8,4 0,3
  21. 21. Seite 21 Lastfall: Beschleunigen» Zielverformung< 0,6mmErgebnisseProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungVerschiebung [mm]Profilrahmen Stahl 0,3Profilrahmen CfK 0,2Monocoque CfK 0,2
  22. 22. Seite 22Ergebnisse Sicherheitsfaktoren Lastfall TorsionProfilrahmen Stahl Profilrahmen CfK Monocoque CfKUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassungSicherheitsfaktorIRFProfilrahmenStahl1,3 -ProfilrahmenCfK1,2 0,2MonocoqueCfK1,6 0,5
  23. 23. Seite 23 Minimale Sicherheit gegenüber der materialspezifischen Rp0,2-Werte bei Nicht-FVK-Bauteilen Der Inverse Reserve Factor für FVK-Bauteile Die Reduzierung der Verformung und Einsparung an Masse im Vergleich zum aktuellen HeckrahmenErgebnisseKonzept Masse Torsions-steifigkeit Parameter Lastfall Kurvenfahrt Lastfall Bremsen Lastfall Beschleunigen Lastfall Torsion-3% +58%Min. Sicherheit 1,8 2,5 3,0 1,3Reduzierung derVerformung31% 67% 67% 50%-18% +154%Min. Sicherheit 1,3 4,5 3,5 1,2Reduzierung derVerformung38% 78% 67% 67%IRF[-] 0,2 0,1 0,1 0,2-20% +270%Min. Sicherheit 2,6 6,2 8,4 1,6Reduzierung derVerformung50% 44% 33% 67%IRF [-] 0,4 0,4 0,3 0,5UnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  24. 24. Seite 24Zusammenfassung Torsionssteifigkeit nimmt bei allen Konzepten zu» (+58% bis + 270%) Masse nimmt bei allen Konzepten ab» (-3% bis -20%) Max. Verformungen nehmen bei allen Konzepten ab» (-31% bis -78%) Monocoque-Bauweise sollte weiter verfolgt werden» Durch geänderten Lagenaufbau kann weiter Masse eingespart und die Verformung verringertwerdenUnternehmenAusgangssituationKonzeptfindungKonstruktion & FEM-ModellErgebnisseZusammenfassung
  25. 25. Seite 25Konzeptvergleich eines Fahrzeugheckrahmenshinsichtlich Steifigkeit und MasseVielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!Dipl.-Ing.(FH) Sebastian ZapfKTM TECHNOLOGIES GMBHSt. Leonharder Str.4A-5081 Salzburg / AnifPhone: +43 6246 73488 9010E-Mail: info@ktm-technologies.comwww.ktm-technologies.com
  26. 26. Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne!CADFEM (Austria) GmbHWagenseilgasse 141120 WienTel. +43 (0)1 587 70 73 – 0E-Mail. info@cadfem.atWeb. http://www.cadfem.atImmer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-ChannelCADFEM Blog - Umfassend informiert – http://blog.cadfem.at• News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new?• Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr• Hinter den Kulissen: CADFEM internCADFEM Youtube Channel - Tips & Trick• Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM ApplicationsCADFEM auf Xing - News kompakt• Vorschau auf Events & Seminare• Neue CADFEM Produkte• CADFEM JobbörseFragen? Interesse?

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