Cette thèse s’inscrit dans le domaine des mathématiques appelé optimisation de formes. Plus précisément, nous étudions ici un problème inverse de détection à l’aide du calcul de forme et de l’analyse asymptotique. L’objectif est de localiser un objet immergé dans un fluide visqueux, incompressible et stationnaire. Les questions principales qui ont motivé ce travail sont les suivantes :– peut-on détecter un objet immergé dans un fluide à partir d’une mesure effectuée à la surface ?– peut-on reconstruire numériquement cet objet, i.e. approcher sa position et sa forme, à partir de cette mesure ?– peut-on connaître le nombre d’objets présents dans le fluide en utilisant cette mesure ?Les résultats obtenus sont décrits dans les cinq chapitres de cette thèse :– le premier met en place un cadre mathématique pour démontrer l’existence des dérivées de forme d’ordre un et deux pour les problèmes de détection d’inclusions ;– le deuxième analyse le problème de détection à l’aide de l’optimisation géométrique de forme : un résultat d’identifiabilité est montré, le gradient de forme de plusieurs types de fonctionnelles de forme est caractérisé et l’instabilité de ce problème inverse est enfin démontrée ;– le chapitre 3 utilise nos résultats théoriques pour reconstruire numériquement des objets immergés dans un fluide à l’aide d’un algorithme de gradient de forme ;– le chapitre 4 analyse la localisation de petites inclusions dans un fluide à l’aide de l’optimisation topologique de forme : le gradient topologique d’une fonctionnelle de forme de Kohn-Vogelius est caractérisé ;– le dernier chapitre utilise cette dernière expression théorique pour déterminer numériquement le nombre et la localisation de petits obstacles immergés dans un fluide à l’aide d’un algorithme de gradient topologique. / This dissertation takes place in the mathematic field called shape optimization. More precisely, we focus on a detecting inverse problem using shape calculus and asymptotic analysis. The aim is to localize an object immersed in a viscous, incompressible and stationary fluid. This work was motivated by the following main questions:– can we localize an obstacle immersed in a fluid from a boundary measurement?– can we reconstruct numerically this object, i.e. be close to its localization and its shape, from this measure?– can we know how many objects are included in the fluid using this measure?The results are described in the five chapters of the thesis:– the first one gives a mathematical framework in order to prove the existence of the shape derivatives oforder one and two in the frame of the detection of inclusions;– the second one analyzes the detection problem using geometric shape optimization: an identifiabilityresult is proved, the shape gradient of several shape functionals is characterized and the instability of thisinverse problem is proved;– the chapter 3 uses our theoretical results in order to reconstruct numerically some objets immersed in a fluid using a shape gradient algorithm;– the fourth chapter analyzes the detection of small inclusions in a fluid using the topological shape optimization : the topological gradient of a Kohn-Vogelius shape functional is characterized;– the last chapter uses this theoretical expression in order to determine numerically the number and the location of some small obstacles immersed in a fluid using a topological gradient algorithm.

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Formoptimierung bezeichnet die Bestimmung der Geometrischen Gestalt eines Gebietes auf dem eine partielle Differentialgleichung (PDE) wirkt, sodass bestimmte gegebene Zielgrößen, welche von der Lösung der PDE abhängen, Extrema annehmen. Bei der Diskret Adjungierten Methode wird der Gradient einer Zielgröße bezüglich einer beliebigen Anzahl von Formparametern mit Hilfe der Lösung einer adjungierten Gleichung der diskretisierten PDE effizient ermittelt. Dieser Gradient wird dann in Verfahren der numerischen Optimierung verwendet um eine optimale Lösung zu suchen. Da sowohl die Zielgröße als auch der Gradient für die diskretisierte PDE ermittelt werden, sind beide zunächst vom verwendeten Netz abhängig. Bei groben Netzen sind sogar Unstetigkeiten der diskreten Zielfunktion zu erwarten, wenn bei Änderungen der Formparameter sich das Netz unstetig ändert (z.B. Änderung Anzahl Knoten, Umschalten der Konnektivität). Mit zunehmender Feinheit der Netze verschwinden jedoch diese Unstetigkeiten aufgrund der Konvergenz der Diskretisierung. Da im Zuge der Formoptimierung Zielgröße und Gradient für eine Vielzahl von Iterierten der Lösung bestimmt werden müssen, ist man bestrebt die Kosten einer einzelnen Auswertung möglichst gering zu halten, z.B. indem man mit nur moderat feinen oder adaptiv verfeinerten Netzen arbeitet. Aufgabe dieser Diplomarbeit ist es zu untersuchen, ob mit gängigen Methoden adaptiv verfeinerte Netze hinreichende Genauigkeit der Auswertung von Zielgröße und Gradient erlauben und ob eventuell Anpassungen der Optimierungsstrategie an die adaptive Vernetzung notwendig sind. Für die Untersuchungen sind geeignete Modellprobleme aus der Festigkeitslehre zu wählen und zu untersuchen. / Shape optimization describes the determination of the geometric shape of a domain with a partial differential equation (PDE) with the purpose that a specific given performance function is minimized, its values depending on the solution of the PDE. The Discrete Adjoint Method can be used to evaluate the gradient of a performance function with respect to an arbitrary number of shape parameters by solving an adjoint equation of the discretized PDE. This gradient is used in the numerical optimization algorithm to search for the optimal solution. As both function value and gradient are computed for the discretized PDE, they both fundamentally depend on the discretization. In using the coarse meshes, discontinuities in the discretized objective function can be expected if the changes in the shape parameters cause discontinuous changes in the mesh (e.g. change in the number of nodes, switching of connectivity). Due to the convergence of the discretization these discontinuities vanish with increasing fineness of the mesh. In the course of shape optimization, function value and gradient require evaluation for a large number of iterations of the solution, therefore minimizing the costs of a single computation is desirable (e.g. using moderately or adaptively refined meshes). Overall, the task of the diploma thesis is to investigate if adaptively refined meshes with established methods offer sufficient accuracy of the objective value and gradient, and if the optimization strategy requires readjustment to the adaptive mesh design. For the investigation, applicable model problems from the science of the strength of materials will be chosen and studied.

Es wurde die Optimierungssoftware SPC-Opt entwickelt, mit welcher sich Aufgaben aus den Bereichen der Formoptimierung sowie der Material- und Formidentifikation bearbeiten lassen. Zur Lösung von Identifikationsproblemen steht eine robuste Implementierung des Levenberg-Marquardt-Fletcher-Verfahrens zur Verfügung. Ergänzt wird dieses durch Line-Search- und Trust-Region-Verfahren, welche sich besonders für Aufgaben der Formoptimierung eignen. Es wurden effiziente Algorithmen zur Approximation der Hesse-Matrix sowie verschiedene Verfahren zur Startparametervariation integriert. Das Programm verfügt über Schnittstellen zur Nutzung von ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, eigenen FEM-Programmen sowie LUA-Skripten. Für Formoptimierungen können geometrische Konturen durch NURBS approximiert und deren Kontrollpunkte als Formparameter genutzt werden. Die Aktualisierung der FEM-Netze entsprechend der Formparameteränderung erfolgt durch ein analytisches Verfahren. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestehender Verfahren zur Materialparameteridentifikation im Bereich der Gummiwerkstoffe. Hierbei wurde das Konzept der Anpassung anhand bauteilnaher Probekörper entwickelt. Dabei wurde am Beispiel einer Fahrwerksbuchse ein Probekörper entworfen, welcher dem originalen Bauteil zwar ähnlich sieht, jedoch eine deutlich einfachere Geometrie hat. Durch diesen konnte das Verhalten des Bauteils gut approximiert und sichergestellt werden, dass die im Rahmen der Parameteridentifikation durchgeführten FEM-Simulationen sicher konvergieren. Zudem wurden die Nutzerschnittstellen des inelastischen Morph-Stoffgesetz für MSC.MARC und ABAQUS weiterentwickelt, sodass diese nunmehr auch im industriellen Umfeld nutzbar sind. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Verwendung bauteilnah identifizierter Parameter zu einer erheblich besseren Abbildung des Materialverhaltens führt als die Verwendung anhand von Standardprobekörpern identifizierter Parameter. Weiterhin zeigte sich, dass vor allem der Einsatz eines Stoffgesetzes mit der Möglichkeit zur Abbildung des charakteristischen Verhaltens von Elastomeren unbedingt erforderlich ist. / Within the scope of this work the optimization software SPC-Opt has been developed to successfully process tasks in the fields of shape optimization and parameter identification. The software includes a robust Levenberg-Marquardt-Fletcher algorithm, several line search and trust region algorithms as well as efficient methods for the approximation of the Hessian matrix. Additionally, procedures for the variation of initial parameters (Design Of Experiments) were implemented. The software includes interfaces to ABAQUS, ANSYS, MSC.MARC, in-house FEM programs and LUA scripts. Within shape optimization problems, geometric shapes are approximated by NURBS and the related control points are employed as design variables. For the update of the FE mesh during the variation of the design variables, a special analytical algorithm is used to preserve the mesh topology. Another focus is related to the further development of existing material parameter identification procedures for rubber materials. Therefor, the concept of component-oriented specimens was developed. Using the example of a bushing, a specimen was designed, which is similar to the original component but has a much simpler geometry. According to this, the behavior of the original component is approximated and the stability of necessary FE simulations is ensured. Additionally, the utilized Model of Rubber Phenomenology (MORPH) is improved in view of the industrial use. It is shown that the identification of material parameters using component-oriented specimens leads to a much better approximation of the original component behaviour than using standard specimens. Additionally, it is shown that the use of a material law which can consider characteritic properties of elastomers, is absolutely necessary.

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

The thesis is devoted to analysing of flexible buried arch structures. Modelling of the flexible concrete arch is carried out via a nonlinear finite element model that accounts for soil constitutive relations, soil-structure interactions, sequential construction stages and soil compaction. Advanced FE-model was verified by measurement obtained by full-scale field testing of two buried arches. Mathematical optimization methods of genetic algorithms and Levenberg-Marquardt method are applied to already calibrated complex computational models in order to reduce bending and associated flexural stresses in the concrete section of buried arch. Centre line of the arch is parameterized by cubic Bezier curve to reach interpolation of thrust line. Optimization technique is applied with extensive parametrical study which shows the optimal shapes for buried arches of various span/rise ratios, backfill depths and foundation soil types. For practical application are given coordinates of Bézier curve control polygons of particular resulting shape. Subsequently is applied optimization method for a theoretical reduction of tensile stresses obtained by shape optimization of previously verified numerical model of buried arch. Comparisons of earth pressure, bending moment axial force and deflection of flexible structure during sequential construction of different span/raise ratios of buried arches are presented. The behaviour of flexible buried arch with effect of local traffic load model LM1 has been analysed via 3D finite elements model with respect to different depth of backfill above crown.

<p>Gaussian Process Regression (GPR) is a widely used surrogate model in efficient global optimization (EGO) due to its capability to provide uncertainty estimates in the prediction. The cost of creating a GPR model for large data sets is high. On the other hand, neural network (NN) models scale better compared to GPR as the number of samples increase. Unfortunately, the uncertainty estimates for NN prediction are not readily available. In this work, a scalable algorithm is developed for EGO using NN-based prediction and uncertainty (EGONN). Initially, two different NNs are created using two different data sets. The first NN models the output based on the input values in the first data set while the second NN models the prediction error of the first NN using the second data set. The next infill point is added to the first data set based on criteria like expected improvement or prediction uncertainty. EGONN is demonstrated on the optimization of the Forrester function and a constrained Branin function and is compared with EGO. The convergence criteria is based on the maximum number of infill points in both cases. The algorithm is able to reach the optimum point within the given budget. The EGONN is extended to handle constraints explicitly and is utilized for aerodynamic shape optimization of the RAE 2822 airfoil in transonic viscous flow at a free-stream Mach number of 0.734 and a Reynolds number of 6.5 million. The results obtained from EGONN are compared with the results from gradient-based optimization (GBO) using adjoints. The optimum shape obtained from EGONN is comparable to the shape obtained from GBO and is able to eliminate the shock. The drag coefficient is reduced from 200 drag counts to 114 and is close to 110 drag counts obtained from GBO. The EGONN is also extended to handle uncertainty quantification (uqEGONN) using prediction uncertainty as an infill method. The convergence criteria is based on the relative change of summary statistics such as mean and standard deviation of an uncertain quantity. The uqEGONN is tested on Ishigami function with an initial sample size of 100 samples and the algorithm terminates after 70 infill points. The statistics obtained from uqEGONN (using only 170 function evaluations) are close to the values obtained from directly evaluating the function one million times. uqEGONN is demonstrated on to quantifying the uncertainty in the airfoil performance due to geometric variations. The algorithm terminates within 100 computational fluid dynamics (CFD) analyses and the statistics obtained from the algorithm are close to the one obtained from 1000 direct CFD based evaluations.</p>

[pt] Estruturas treliçadas espaciais são arranjos geométricos de barras amplamente utilizados em coberturas de edificações. Diversos fatores favorecem o seu uso, tais como a capacidade de vencer grandes vãos e a facilidade em assumir diversas formas. A busca pela geometria ótima é um objetivo importante no projeto de estruturas, onde o interesse principal é minimizar o custo da estrutura. O objetivo deste trabalho é apresentar um sistema computacional capaz de minimizar o peso de estruturas treliçadas cuja geometria é definida por curvas de Bézier. Portanto, os pontos de controle das curvas de Bézier são utilizados como variáveis de projeto. As áreas das seções transversais das barras e a altura da treliça também são consideradas como variáveis de projeto e restrições sobre a tensão de escoamento e a tensão crítica de Euler são impostas no problema de otimização. A estrutura é analisada por meio do método dos elementos finitos considerando a hipótese do comportamento linear físico e geométrico. Os algoritmos de otimização usados neste trabalho utilizam o gradiente da função objetivo e das restrições em relação às variáveis de projeto. O sistema computacional desenvolvido neste trabalho foi escrito em linguagem MATLAB e conta com uma integração com o SAP2000 por meio da OAPI (Open Application Programming Interface). Os resultados numéricos obtidos demonstram a eficiência e a aplicabilidade deste sistema. / [en] Spatial truss structures are geometrical arrangements of bars widely used in building roofs. Several factors favor their use, such as the ability to overcome large spans and the capability of assuming a variety of configurations. The search for optimal geometry is an important goal in the design of structures, where the main interest is to minimize the cost of the structure. The objective of this work is to present a computational system capable of minimizing the weight of truss structures whose geometry is defined by Bézier curves. Therefore, the control points of the Bézier curves are used as design variables. The cross-sectional areas of the bars and the truss height are also considered as design variables and constraints on the yield stress and Euler critical stress are imposed on the optimization problem. The structure is analyzed using truss elements considering the physical and geometric linear behavior. The optimization algorithms used in this work require the gradient of the objective function and constraints with respect to the design variables. The computational system developed in this work was written in MATLAB and has an integration with SAP2000 through the OAPI (Open Application Programming Interface). The obtained numerical results demonstrate the efficiency and applicability of the developed system.

The thesis evaluates the potential of shape optimization to provide electric machine geometries that are optimized for torque, noise, vibration and harshness (NVH) and efficiency. It could be an alternative to the parametrization-based approach in the electric machine design process. In this work, an optimization framework was developed using Altair Flux-2D™ and MATLAB™ software, with mean radial tooth force (MRTF) and torque as responses. Various features of an interior permanent magnet machine (IPM) machine were selected for optimization, such as rotor surface, outer magnet air-pockets, stator tooth-tips, and shape features along the d-axis and q-axis of the machine. A shape-parametrization study was performed to further understand the results obtained from the shape-optimization framework. During this study, it was observed that the MRTF harmonic of radial tooth forces represented in the complex domain could be modified by changing the shape dimension and position. Cases were created, wherein different types of bumps and notches were introduced on the rotor surface and stator tooth-tips, after which, a design of experiments (DOE) study modified them to observe their influence on the MRTF harmonic. Shape optimization provided results much faster than DOE-based studies, and it was best suited to suggest minor changes and offer additional performance improvements. In a parametrization-based design process, shape optimization could be used effectively in the latter stages as a design evaluation and enhancement tool. Results from the framework indicated that efficiency must be sacrificed to achieve a sizeable reduction in the MRTF harmonic. The latter is most sensitive to shape changes on the rotor surface, while partial radial-force vector modification is possible by changing the shape of that toothtip. When correctly placed, bumps and notches offer good MRTF harmonic and torque ripple reductions. / Avhandlingen utvärderar potentialen för formoptimering för att tillhandahålla elektriska maskingeometrier som är optimerade för vridmoment, NVH och effektivitet. Det kan vara ett alternativ till den parametriseringsbaserade metoden i designprocessen för elektriska maskiner. I detta arbete utvecklades ett optimeringsramverk med flera mål med hjälp av Altair Flux-2D™ och MATLAB™ mjukvara, med MRTF och vridmoment som svar. Olika funktioner hos en IPM-maskin valdes ut för optimering, såsom rotoryta, yttre magnetiska luftfickor, statortandspetsar och formegenskaper längs maskinens d-axel och q-axel. En formparametriseringsstudie utfördes för att ytterligare förstå resultaten från formoptimeringsramverket. Under denna studie observerades det att MRTF-harmoniken för radiella tandkrafter representerade i den komplexa domänen kunde modifieras genom att ändra formdimensionen och positionen. Fall skapades, där olika typer av stötar och skåror introducerades på rotorytan och statortandspetsarna, varefter en DOE-studie modifierade dem för att observera deras inverkan på MRTF-övertonen. Formoptimering gav resultat mycket snabbare än DOE-baserade studier, och den var bäst lämpad för att föreslå mindre förändringar och erbjuda ytterligare prestandaförbättringar. I en parametriseringsbaserad designprocess kan formoptimering användas effektivt i de senare stadierna som ett verktyg för designutvärdering och förbättring. Resultat från ramverket indikerade att effektivitet måste offras för att uppnå en avsevärd minskning av MRTF-övertonen. Den senare är mest känslig för formförändringar på rotorytan, medan partiell radialkraftvektormodifiering är möjlig genom att ändra formen på den tandspetsen. När de är korrekt placerade ger stötar och skåror bra MRTF-harmoniska och vridmoment-rippelreduktioner.

The presentation describes the development of a new mountain bicycle pedal with a special magnetic safety locking mechanism by means of the finite element method (FEM). It starts with a description of the predecessor mountain bike pedal “Enduro” from magped GmbH and sets out the development objectives for the new pedal named “Enduro2”. The complete development activities like load determination and load assumptions, FEM analysis of the initial draft, subsequent optimization steps for strength improvement and mass reduction, bearing design and analysis, and prototype testing are described. The presentation ends with a chapter about creating computer generated images for marketing material of the pedal. The presentation is structured as follows: 1. Introduction: -Description of the predecessor mountain bike pedal “Enduro1” by magped GmbH -The magnetic safety locking mechanism -Overview of the magped GmbH product portfolio -Short magped GmbH company presentation -Development objectives and initial design draft of the successor pedal model “Enduro2” 2. Determination of the load cases for design & optimization: -Loads for bicycle pedals acc. to DIN ISO 4210 -Chosen load cases and qualification test program 3. Strength analysis and weight optimization of the pedal axis: -Pre-optimization steps -Optimized shape: Theoretical consideration of the pedal axis -Optimized design description -Obtained mass reduction -User tips for shape / notch stress optimization -Comparison with the axis of a competitor 4. Strength analysis and weight optimization of the pedal body: -Challenges in pedal body design -Computed load cases -Design result and mass savings 5. Bearing design and analysis: -Sliding bearing layout -Ball bearing layout: Bearing forces computation by FEM due to over-determined system -Description of the Creo Simulate FEM model -Bal bearing life span 6. Product testing: -Test program performed by the zedler-institute -Testing of the first test batch of pedals with hollow bored axis -Testing of the first test batch of pedals without hollow bored axis 7. Realized mass savings: -Magped Enduro1 and Enduro2 on the balance and comparison with the magped Gravel pedal 8. Creation of marketing material for the final product: -Still image creation -Photorealistic rendering containing FEM loading sequences / Der Vortrag beschreibt die Entwicklung eines neuen Mountainbike-Pedals mit einer speziellen magnetischen Sicherheitsverriegelung mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Er beginnt mit einer Beschreibung des Vorgänger-Mountainbike-Pedals 'Enduro' der magped GmbH und legt die Entwicklungsziele für das neue Pedal mit dem Namen 'Enduro2' dar. Die gesamten Entwicklungsaktivitäten wie Lastermittlung und Lastannahmen, FEM-Analyse des ersten Entwurfs, nachfolgende Optimierungsschritte zur Festigkeitsverbesserung und Massenreduzierung, Lagerauslegung und -analyse sowie Prototypentests werden beschrieben. Die Präsentation endet mit einem Kapitel über die Erstellung computergenerierter Bilder für die Verwendung in Marketingmaterial des Pedals. Gliederung des Vortrages: 1. Einleitung: -Beschreibung des Vorgänger-Mountainbike-Pedals 'Enduro1' der magped GmbH -Die magnetische Sicherheitsverriegelung des Pedals -Überblick über das Produktportfolio der magped GmbH -Kurze Firmenpräsentation der magped GmbH -Entwicklungsziele und erster Designentwurf des Nachfolgemodells 'Enduro2' 2. Ermittlung der Lastfälle für Design & Optimierung: -Belastungsfälle für Fahrradpedale nach DIN ISO 4210 -Ausgewählte Lastfälle und Qualifikations-Testprogramm 3. Festigkeitsanalyse und Gewichtsoptimierung der Pedalachse: -Vor-Optimierungsschritte -Optimierte Form: Theoretische Betrachtung der Pedalachse -Beschreibung der optimierten Form -Erzielte Massenreduzierung -Anwendertipps zur Form- / Kerbspannungsoptimierung -Vergleich mit der Achse eines Wettbewerbers 4. Festigkeitsanalyse und Gewichtsoptimierung des Pedalkörpers: -Herausforderungen bei der Konstruktion von Pedalkörpern -Berechnete Lastfälle -Konstruktionsergebnis und Gewichtseinsparung 5. Lagerkonstruktion und -analyse: -Auslegung der Gleitlager -Auslegung der Kugellager: Berechnung der Lagerkräfte durch die FEM aufgrund des statisch überbestimmten Systems -Beschreibung des Creo Simulate FEM-Modells -Lebensdauer der Kugellager 6. Produktprüfung: -Testprogramm, durchgeführt durch das zedler-Institut -Erprobung der ersten Versuchscharge von Pedalen mit hohlgebohrter Achse -Prüfung der ersten Versuchscharge von Pedalen ohne hohlgebohrte Achse 7. Realisierte Masseneinsparung: -Magped Enduro1 und Enduro2 auf der Waage und Vergleich mit dem magped Gravel-Pedal 8. Erstellung von Marketingmaterial für das Endprodukt: -Erstellung von computergenerierten Fotos -Fotorealistisches Rendering mit FEM-Belastungssequenzen