Ein Kranhaken soll mit modernen computer-basierten Methoden virtuell entwickelt und optimiert werden. Dazu wird zunächst ein 3D-CAD-Programm (PRO/Engineer) benutzt, um den Haken zu konstruieren. Anschließend erfolgt eine Strukturanalyse zur Berechnung der von Mises Vergleichsspannungsverteilungen. Dabei kommen die Programme MSC.Patran und HKS/Abaqus zum Einsatz. Mit dem Optimierungstool TOSCA wird für die repräsentativen Lastfälle eine Topologieoptimierung durchgeführt. Dabei entfernt der Optimierer nicht notwendiges Material aus dem Bauraum. Abschließend soll die topologie-optimierte Strukturen wieder ins CAD zurückgeführt und fertigungsgerecht weiterentwickelt werden.
Der Konstruktionsweg besteht aus fünf wesentlichen Schritten. Im ersten Schritt wird ein Profilkörper erzeugt. Im zweiten Schritt folgen Bohrungen und Rundungen am Bauteil. Im Schritt drei bekommt der Haken eine Spitze durch einen Materialschnitt. Der vierte Schritt rundet die Kanten der Struktur. Und im fünften und letzten Schritt erfolgt eine Spiegelung der Bauteilgeometrie zur Erzeugung der Endkontur. Alle Konstruktionselemente lassen sich in einem modernen 3D-CAD-Programm leicht durchführen.
Für eine Strukturoptimierung ist es sehr wichtig, die richtigen Lastfälle, d.h. Fixierungen, Zwangsverschiebungen und Kraftwirkungen, zu definieren. Dazu wird die im CAD entworfene Struktur in einen FE-Preprozessor importiert, der die geometrischen Daten für die nachfolgende Finite-Elemente-Analyse in ein Netz von Tetraedern und Hexaedern umwandelt. Auf dieses Netz erfolgt die Festlegung der Lastfälle. Durch eine FE-Analyse sollte geprüft werden, ob die Lastannahmen richtig gewählt wurden.
Vor dem Start der Topologieoptimierung muss festgelegt werden, welche Elemente vom Optimierer entfernt werden dürfen und welche nicht (frozen elements). Nach der Definition des Bauraumes führt der Optimierer eine Spannungsanalyse gemäß der vorhergehenden Lastannahmen durch. Dabei entfernt er nicht notwendiges Material unter Berücksichtigung einer optimalen Bauteilsteifigkeit. Die endgütige facettenartige Struktur kann geglättet werden und führt zu einem Leichtbauentwurf des Kranhakens.
Oft können die Ergebnisse einer Topologieoptimierung nicht direkt für die Serienfertigung des Bauteils verwendet werden. Deshalb ist es heute üblich, das Ergebnis der Topologieoptimierung ins CAD zurückzuführen und fertigungsgerecht umzukonstruieren. An der Einführung von Fertigungsrestriktionen (z.B. minimale Wanddicken) wird gearbeitet.
