Simultaneous Structural and Material Optimization

Titel in Übersetzung: Kombinierte Optimierung von Bauteilstruktur und Material

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die Entwicklung innovativer und ressourceneffizienter Produkte ist von großer Bedeutung für eine Reihe von Industriesektoren, unter anderem Automobilindustrie sowie Luft- und Raumfahrt. Infolgedessen hat der verstärkte Einsatz von Leichtbaumaterialien in hochoptimierten Strukturen höchste Priorität. Der Einsatz von Strukturoptimierung, insbesondere Topologieoptimierung, hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Topologieoptimierung bietet die Möglichkeit eine optimale Materialverteilung für ein Design unter bestimmten funktionalen Nutzungsbedingungen zu erreichen, mit dem Ziel bereits auf der Ebene des Konzeptdesigns eine signifikante Effizienzsteigerung zu erreichen. Im Hinblick auf Leichtbau ist die Verwendung von Verbundwerkstoffen ein Schlüsselfaktor, da sie die Möglichkeit bieten die mechanischen Eigenschaften des Bauteils gezielt an die Belastungssituation anzupassen. Bei der Optimierung von Verbundwerkstoffen werden daher zwei Ziele verfolgt: die optimale Materialverteilung sowie die Ermittlung optimaler lokaler Materialeigenschaften, definiert über die Orientierung und den Anisotropiegrad des lokalen Steifigkeitstensors. Eine Änderung der Topologie beeinflusst die lokale Spannungssituation und damit auch die optimalen Materialparameter. Dies gilt natürlich auch im umgekehrten Fall. Daher ist es, im Gegensatz zur derzeitigen Auslegungspraxis notwendig, die Aspekte der Topologieoptimierung und der lokalen Materialoptimierung gleichzeitig zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit stellt eine neue Methode zur Optimierung von Struktur und Material vor. Dabei werden der Entwurf der globalen Geometrie und der Entwurf des Materials, in Bezug auf Orientierung und Anisotropie des lokalen Steifigkeitstensors, gleichzeitig berücksichtigt. Das Konzept, das für dreidimensionale Strukturen entwickelt wurde, wird an pseudo-zweidimensionalen Testbeispielen demonstriert und evaluiert. Ziel der Optimierung ist die Minimierung der Gesamtnachgiebigkeit der Konstruktion unter Berücksichtigung einer Volumenrestriktion. Die hier vorgestellte Methode ist mit Python in Verbindung mit Abaqus FEM implementiert. Die Ermittlung der Topologie basiert auf dem Algorithmus der Bi-Evolutionären Strukturoptimierung (BESO). Die Optimierung des Materials erfolgt einerseits durch Anpassung der Materialorientierung, basierend auf den lokalen Belastungsbedingungen (Hauptspannungsrichtungen) und andererseits durch die Anpassung der jeweiligen Volumenanteile kontinuierlicher zylindrischer Einschlüsse (Fasern), basierend auf dem Verhältnis der Absolutwerte der Hauptspannungen. Der homogenisierte Steifigkeitstensor wird mit einem mikromechanischem Mean-Field Ansatz bestimmt. Die Methode liefert physikalisch realistische Materialkonfigurationen basierend auf einer angemessenen Anzahl von Entwurfsvariablen, ohne dabei den Designraum unnötig einzuschränken. Die entwickelte Methode ist gleichermaßen für den Einzellastfall als auch für mehrere Lastfälle anwendbar. Die Robustheit und Effizienz des vorgestellten Konzepts wird anhand von Standard Testbeispielen evaluiert. Das optimierte Material geht dabei über quasi-isotropes und unidirektional verstärkter Material hinaus, da die Materialeigenschaften direkt an die funktionalen Anforderungen auf Strukturebene angepasst werden. Die Simulationsergebnisse zeigen eine deutliche Reduktion der Gesamtnachgiebigkeit der Struktur. Des Weiteren zeigt die Methode eine gute Konvergenz und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Ausgangsdesign und für den Topologieoptimierungsalgorithmus notwendigen Eingabeparametern. Dies verdeutlicht das Potenzial der Methode, eine Vielzahl von interessanten Perspektiven für die Entwicklung innovativer Bauteile zu eröffnen. Weitere Schritte beinhalten die Erweiterung des Konzepts auf dreidimensionale Strukturen sowie die Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen hinsichtlich der praktische Umsetzbarkeit des optim
Titel in ÜbersetzungKombinierte Optimierung von Bauteilstruktur und Material
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Schuecker, Clara, Beurteiler A (intern)
  • Elgeti, Stefanie, Beurteiler A (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 1800

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • Topologieoptimierung
  • Materialoptimierung
  • Bi-Evolutionäre Strukturoptimierung (BESO)
  • Verbundwerkstoff
  • Anisotropes Material
  • Finite Elemente Methode
  • Mean-Field Homogenisierung
  • Mori-Tanaka Methode
  • Python

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