Simulationssoftware

Bauteile aus Verbundwerkstoff bringen Yacht auf Siegerkurs

Leichter heißt auch im Rennyachtsport schneller. Für eine Weltmeister-Rennyacht reduzierte das Engineering-Unternehmen iXent deshalb das Gewicht eines unverzichtbaren Bauteils. Es konstruierte mithilfe des Simulia-Portfolios von Dassault Systèmes Strukturbauteile für die Winsch aus Verbundwerkstoff.

„Sechs Besatzungsmitglieder an drei Winschen können bis zu 1.200 Newtonmeter erzeugen, wenn sie eine Großschot dichtholen – da wird eine Last erzeugt, die größer ist als das Gewicht von drei Autos mittlerer Größe“, sagt Hahn. Bildquelle: iXent

„Je aggressiver man diese Rennyachten fährt, desto höher sind die Beanspruchungen auf die Getriebe der Winsch“, sagt Thomas Hahn, Gründungspartner von iXent, einem deutschen Unternehmen für Technologieberatung und Dienstleistungen, das sich auf angewandten Leichtbau mit Verbundwerkstoffen spezialisiert hat. Und er sollte es wissen: Hahn und Mitgründer Christoph Erbelding unterstützten bei der Bauteilauslegung für die US-amerikanischen Yachten des Oracle Team USA, das zweimal den America's Cup gewonnen hat. Auch für den Besitzer eines Mini-Maxi, der Alegre 3, wurde iXent bereits tätig. Das Alegre-Team wollte Auslegung und Gewicht optimieren, um sich nicht erneut mit einem zweiten Platz im Mini-Maxi-Wettbewerb im Rahmen der Rolex Maxi Worlds Regatta zufrieden geben zu müssen.

Jeder Bereich auf der Alegre 3 stand für kritische Untersuchungen zur Verfügung, was zu einigen wichtigen Veränderungen führte. So wurde zum Beispiel das Rampendeck vom Cockpitboden bis zum Vordeck zu einer durchgehenden Fläche umgestaltet. So entstand ein ununterbrochener Lastpfad, der die Steifigkeit erhöhte. Die Kielfinne wurde zur Maximierung der Steifigkeit und zur Erzeugung des größtmöglichen aufrichtenden Moments innen mit einem Kielmast verschraubt. Zur Aufnahme der erhöhten Lasten auf die Takelage aufgrund der höheren Steifigkeit bat der Winschen Experte Jon Williams das iXent Team, mit dem er bereits im Oracle Team 2010 zusammengearbeitet hatte, die Auslegung der Winsch zu überarbeiten. Sie sollte robuster aber auch so leicht wie möglich werden. Die primären Winschen mussten den für die Trimmer optimalen Standort erhalten und wurden auf Sockeln platziert, auf denen die Winsch-Getriebe für maximale Steifigkeit in vertikale Säulen eingebaut wurden.

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Simulierte Abspeckkur

Bei vielen Auslegungen für die Getriebelagerung, die Hahn gesehen hatte, waren die Platten flach und kreisförmig und unter starker Belastung sehr anfällig für Verbiegung und Verdrehung. „Die Platte muss sehr stark sein“, betont er. „Ich habe Bauteile gesehen, die durch ihre Nachgiebigkeit und Flexibilität den ganzen Antrieb gesperrt haben, so dass das Großsegel nicht mehr bewegt werden konnte.“ Neben eigenem umfangreichen Branchenwissen und mehreren firmeneigenen Techniken, sind es auch Software-Tools, denen das Team um Hahn einen Großteil seiner Innovationskraft zu verdanken hat: aus dem Simulia-Portfolio von Dassault Systèmes sind hier Tosca Structure (zur nichtparametrischen Topologieoptimierung), Isight (zur Prozessautomatisierung und parametrischen Optimierung) und Abaqus (zur Finite-Elemente-Analyse) zu nennen. Das wichtigste CAD-Tool war Catia ebenfalls von Dassault Systèmes. „Wir sehen insbesondere das Simulationspaket als große Hilfe an“, sagt Hahn. „Die Simulationsprozesskette, die wir hier haben, deckt im Grunde alles ab – von der Konzeption bis zur Arbeit am Detail. Unsere Kunden wissen, dass wir modernste Technologien verwenden. Wenn man sie nicht nutzt, bleibt man nicht wettbewerbsfähig. Diese digitalen Werkzeuge unterstützen uns auf jeden Fall bei unseren auf Erfahrung basierenden Entscheidungen.“

Verbundwerkstoffe verleihen Flügel

Die Erfahrung lehrte iXent, dass die Platte aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden sollte. „Die Auslegung muss immer so leicht wie möglich sein, da diese Yachten heutzutage wirklich fliegen müssen, und im Fall von Alegre beschränken die Klassenvorschriften das Höchstgewicht“, erklärt Hahn. „Also sollte man bei der Auslegung eines jeden Bauteils, wenn man es mit Verbundwerkstoffen leichter machen kann, diese Möglichkeit auch nutzen. Nur ein paar Gramm weniger können, multipliziert über mehrere Teile, einen erheblichen Gewichtsunterschied ausmachen.“ Um die Haltbarkeit der Konstruktion zu gewährleisten, mussten zunächst die Belastungen geschätzt werden, die Winschen während einer Regatta ausgesetzt sind. „Sechs Besatzungsmitglieder an drei Winschen können bis zu 1.200 Newtonmeter erzeugen, wenn sie eine Großschot dichtholen – da wird eine Last erzeugt, die größer ist als das Gewicht von drei Autos mittlerer Größe“, sagt Hahn. „Eine weitere Sichtweise ist, dass 1.200 Newtonmeter etwa dem dreifachen Drehmoment von modernen Drei-Liter-Dieselmotoren entsprechen, die für ihre optimale Drehmomenterzeugung bekannt sind.“

Batman als Namenspatron

Das erste Ergebnismuster von Simulia Tosca von Dassault Systèmes hatte eine starke Ähnlichkeit mit dem in den Himmel projizierten Bat-Signal, worauf das Team das neue Design der Winsch-Trägerplatte liebevoll „Batman“ nannte. Bildquellen: iXent

Mit den geschätzten Lasten konnte das Team nun mithilfe von Tosca eine nichtparametrische Analyse des Problems durchführen. „Wir denken bei jedem Auslegungsproblem, das wir lösen wollen, gerne um die Ecke“, erläutert Hahn. „Wir sagen uns: ‚Lasst uns innovativ darüber nachdenken‘ und nutzen darum Tosca. Man definiert eine Struktur, die am Anfang im Wesentlichen eine Black Box ist. Man fügt die erwarteten Lastfälle hinzu – oben, unten, bis zu zehn Stück. Selbst als erfahrener Ingenieur kann ich mir nicht vollständig vorstellen, wie die optimale Struktur im Hinblick darauf aussieht, wo ich Gewicht einsparen kann und wo ich Material hinzufügen muss. Tosca hingegen geht automatisch alle Möglichkeiten durch und liefert ein netzartiges Muster, das die effizienteste Struktur ergibt.“ Da das erste Ergebnismuster von Tosca eine starke Ähnlichkeit mit dem in den Himmel projizierten Bat-Signal hatte, mit dem der „Caped Crusader“ zu Hilfe gerufen wird, nannte das Team das neue Design der Winsch-Trägerplatte liebevoll „Batman“. Als nächstes baute das Team seine Tosca-Geometrie in CATIA zu einer verfeinerten 3D-CAD-Darstellung um. Dann wurde der Vorprozessor ANSA (von Beta CAE) eingesetzt, um eine ausführbare Datei in Abaqus zu extrahieren, wobei Lasten als Kräfte und Momente aufgegeben wurden, die das Teil im Betrieb aufnehmen muss.

Analysen gehen an die Grenzen

Zuletzt verwendete das Team Isight, um automatisch eine Reihe von Abaqus FEA-Analysen durchzuführen. Ziel war es, das Verbundlaminat so auszulegen, dass es mit dem geringstmöglichen Gewicht die geforderten Randbedingungen erfüllt. „Dieser Optimierungsgrad ist manuell nicht zu erreichen“, sagt Hahn. „Man hat vielleicht Intuition, aber es ist wirklich erstaunlich, wie diese Tools noch das letzte Bisschen an Gewichtsersparnis aus den Laminaten quetschen.“ Mit dem endgültigen Batman-Design ließ sich eine Gewichtseinsparung von rund 17 % im Vergleich zu einem typischen Bauteil dieser Art in einer Rennyacht erzielen. Und, ob zufällig oder nicht, die Alegre gewann mit ihrer neu optimierten Trägerplatte für das Winsch-Getriebe den Mini-Maxi-Wettbewerb im Jahr 2014.

Optimales Design-Paket

Das endgültige Batman-Design führte zu einer Gewichtseinsparung von rund 17 Prozent im Vergleich zu einem typischen Bauteil dieser Art in einer Rennyacht. Bildquelle: iXent

Hahn war angenehm überrascht, als er von dem Sieg erfuhr. „Ich glaube nicht, dass man siegt, indem man nur auf einem Gebiet stark ist“, sagt Hahn. „Man siegt mit dem Gesamtpaket – sehr guten Seglern, sehr gutem Support an Land und natürlich gutem Design. In diesem Fall gefällt unserem Kunden die endgültige Batman-Lösung, die sowohl leicht als auch stark ist. Wenn man jedes Teil auf seiner Yacht mit diesen Zielen angeht, bekommt man sicherlich am Ende das optimale Design-Paket.“

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