Am Anfang des Entwicklungsprozesses eines Gussbauteils für die Automobilbranche steht klassischerweise die konstruktive Ausarbeitung und die Auslegung auf Zielgrößen, wie Festigkeit, Steifigkeit bzw. die Erfüllung der Crashlasten. Im nächsten Entwicklungsschritt wird, oftmals in Zusammenarbeit mit externen Lieferanten, das Werkzeugkonzept entwickelt und die Herstellbarkeit mit Hilfe von Gießsimulationen abgesichert. Bei der Fertigung verursachen streuende Prozessgrößen, wie etwa Geschwindigkeits- oder Temperaturniveaus, Schwankungen in der Leistungsfähigkeit des Endprodukts (z. B. lokale Bruchdehnung oder Zugfestigkeit). Maßnahmen zur Erhöhung der Prozessstabilität und zur Reduktion des Verschleißes konzentrieren sich oftmals auf die erfahrungsbasierte Verbesserung des Fertigungsprozesses und Anpassungen des Anguss- und Überlaufsystems. Größere Änderungen der Bauteilgeometrie sind häufig aus zeitlichen Gründen nicht mehr möglich. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, optimierte modularisierte Grundgeometrien, wie Rippen oder Umlenkungen, mit Hilfe von numerischen Formoptimierungen zu entwickeln, um diese schon von Anfang an in der Bauteilentwicklung zu berücksichtigen. Als Zielfunktionen dienen strömungs- und strukturmechanische Kenngrößen, um einerseits verschleißfördernde Mechanismen und füllungsbedingte Defekte zu reduzieren und andererseits die Beanspruchbarkeit zu erhöhen. Bei den Untersuchungen wird zusätzlich die Robustheit des Ergebnisses analysiert, um Verbesserungspotenziale auch bei streuenden Randbedingungen realisieren zu können.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis / The virtual development process of an automotive casting part usually begins with classical design tasks and analyses of material strength, stiffness and crash load cases. In the next step, often in cooperation with external suppliers, the tooling concept is developed and casting simulations are used to ensure manufacturability. During manufacturing there is a scatter in process parameters, such as flow velocity or temperature levels, which in turn cause a scatter in the performance of the final product (e.g. local elongation at fracture or ultimate tensile strength). Means to increase process stability and yield are often limited to knowledge-based improvements of the manufacturing process parameters and adaptations of the gating and overflow system. Major changes to the part geometry are usually no longer possible due to project time constraints. Therefore it is the goal of this thesis to optimize modularized basic geometries, like ribs or bends, by using numerical shape optimizations and employ them right from the beginning of the part development process. For the objective functions of the optimizations the disciplines of fluid dynamic filling and the resulting structural behaviour are considered. In addition, the resulting shape is analyzed with regards to robustness towards scatter in manufacturing operating conditions. By using these new modularized geometries the overall robustness of the final product is expected to be increased.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 1.3 Stand von Wissenschaft und Technik 2 Grundlagen 2.1 Leichtmetallgussbauteile im Automobil 2.2 Geometrische Gestaltung von Gussbauteilen 2.3 Modellierung gießtechnischer Fertigungsverfahren 2.4 Strukturmechanische Modellierung von Gussbauteilen 2.5 Numerische Optimierung 3 Modellaufbau und -analyse 3.1 Geometrische Entwurfsmodelle 3.2 Strömungsmodellbildung zur Abbildung der Fertigungseinflüsse 3.3 Strukturberechnungsmodell unter Berücksichtigung materieller Defekte 4 Optimierung der Umlenkung 4.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 4.2 Zielfunktionen 4.3 Optimierung mit Entwurfsmodell I 4.4 Optimierung mit Entwurfsmodell II 4.5 Diskussion der Ergebnisse 5 Optimierung der Rippe 5.1 Optimierungsstrategie und -prozesskette 5.2 Ziel- und Restriktionsfunktionen 5.3 Multidisziplinäre Optimierung 5.4 Diskussion der Ergebnisse 6 Zusammenfassung 7 Ausblick Anhang Abkürzungs- und Symbolverzeichnis Literatur- und Quellenverzeichnis

<p> In the study area, the South Saskatchewan River has a sandy bed (mean diameter .3mm) with irregularly-shaped braid bars termed sand flats. These range in length from 50 to 2000 m. The river has an average discharge of 220m^3/sec, with a mean annual flood of 1450 m^3/sec. The river has been dammed upstream of the study area since 1965, but little downcutting has occured. </p> <p> Ripples, sand waves and dunes are the equilibrium bedforms present . Ripples and dunes are well known , but sand waves are long , low bedforms with superimposed ripples, lack scour troughs, and occur at lower flow velocities than dunes . Foreset-type bars are also present , but are not equilibrium forms . They result from flow expansion around older topography. They occur at (1) channel junctions, (2) channel bends, (3) areas of channel widening, (4) places of vertical flow expansion . They deposit planar crossbeds. </p> <p> Large areas of the river have many sand flats with no major channels, and may even lack minor channels. These areas are termed sand flat complexes. Where a major channel curves around a sand flat complex, a large diagonal bar is deposited. It is mainly on the tops of these bars where new sand flats form. </p> <p> The major channels rarely exceed 5 m in depth, but may be 150m wide. They are floored by sinuous-crested dunes with sand waves and ripples along their margins. The dunes build up during floods (2 m maximum amplitude). Large dunes occur in the deeper channels. </p> <p> Three different morphologies of small sand flats, symmetric, asymmetric and side, have been recognized. Each type forms from a bar which becomes partly immobilized where it becomes emergent. The remainder of the bar front continues to advance around this emergent nucleus. The different morphologies result because of the control exerted by preexisting deposits on the shape of the initial bar. </p> <p> Larger sand flats lack these morphologies because they have been extensively modified. The major processes of modification are vertical, lateral, and upstream accretion by bars; linking of sand flats by bars; erosional action. The variable morphologies of larger sand flats reflect only their latest modification. The stratification of sand flats is mainly planar crossbed sets deposited by the bars. </p> <p> During the winter, a 60cm thick layer of ice covers the entire system. The sand flats are immobilized because their top layers of sediments are frozen. In some places, their surfaces are disrupted by fluid escape caused by high pore pressures generated by freezing. Flow proceeds down the channels under the ice. Rafting of cobbles and scouring around grounded ice blocks takes place at breakup. </p> <p> The facies sequences resulting from sedimentation in the river are mainly sandy. Those which are deposited by channels consist dominantly of trough crossbeds, but lone planar crossbed sets may be present, deposited by large bars. Facies sequences which include sand flat deposits have several sets of planar crossbeds stacked on top of one another. All sequences have a zone of small crossbeds and ripple cross-lamination near the tops, resulting from shallow water deposition. They are capped by one-half metre of muddy flood-plain deposits. </p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)