Adaptive Strukturoptimierung von Faserkunststoffverbunden unter Berücksichtigung bionischer Aspekte
- Es finden immer häufiger Faserverbundmaterialien in Strukturbauteilen Anwendung,
da bei konventionellen Materialien die Zielkriterien, wie definierte Festigkeit, Steifigkeit,
etc. nicht mehr bzw. nicht mit hinreichend geringem Bauteilgewicht erreicht werden
können. Angesichts der hohen Kosten ist es verständlich, dass Faserkunststoffverbunde
(FKV) vorzugsweise in den Bereichen eingesetzt werden, wo die eingangs
erwähnten Optimierungsziele hohe Priorität haben. Besonders hervorzuheben ist
hierbei die Luft- und Raumfahrt. Zunehmende Bedeutung gewinnt der Einsatz von
Faserverbundwerkstoffen aber auch in der Automobil- bzw. Maschinenbauindustrie.
Mit fortschreitender Verbesserung der Optimierungsmethoden sowie der Fertigungstechnologien
und der damit verbundenen Kostenreduktion, werden heute bereits
komplexe Module hergestellt. Das zieht wiederum eine lastgerechte und werkstoffspezifische
Konstruktion nach sich. Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines
Topologieoptimierungswerkzeuges zur werkstoffgerechten Auslegung von FKVStrukturen.
Ziel ist, FKV - eine Klasse von Hochleistungswerkstoffen, deren Potenzial
sich nur mit geeigneten Modellen zur Nutzung ihrer anisotropen Eigenschaften ausschöpfen
lässt - unter Berücksichtigung der technischen Realisierbarkeit zu optimieren.
Dabei werden natürliche Wachstumsprinzipien in einen iterativen Prozess überführt.
Als Ziel dieses Algorithmus kann entweder eine gezielte Steifigkeit oder eine
gewichtsoptimale Lösung bei hinreichender Festigkeit mit möglichst gleichmäßiger
Spannungsverteilung im Bauteil definiert werden. Erreicht wird dies durch eine effektive
Lastverteilung von hoch belasteten auf geringer belastete Bereiche und somit
auch die Optimierung der Materialverteilung. In diesem Designvorschlag wird die
Grundorientierung der Basisschicht, die kraftflussgerechte Orientierung der Laminateinzellagen
sowie die Topologie von Zulagenschichten bzw. des Gesamtlaminates
optimiert. Besonders interessant ist die adaptive Strukturoptimierung von FKVStrukturen
bei lokalen Zulagen an hoch belasteten Krafteinleitungsstellen bzw. allgemein
in Bereichen hoher Spannungen. Wie weiterhin gezeigt wird, ist die entwickelte
adaptive Topologie- und Faserwinkeloptimierung in Kombination aus technologischer,werkstoffmechanischer sowie wirtschaftlicher Sicht vorteilhaft und kann
problemlos in der Praxis angewandt werden.
More and more fibre-reinforced composite materials are being used in structural building
components because with conventional materials, the target criteria, such as
defined strength, rigidity etc. can no longer be achieved with a sufficiently low weight
of the structural components, if at all. In view of the high costs, it is understandable
that fibre-reinforced plastic composites tend to be used in technical areas where the
optimization goals mentioned above have a high priority. The aviation and aerospace
industry deserves special mention here. The use of fibre composite materials is also
gaining significance in the automotive and mechanical engineering industry. Thanks
to increasing improvements in optimization methods and manufacturing technologies
and the reduction in costs that this brings with it, complex modules are being produced
even today. This in turn ensures specific-material construction with the necessary
load-bearing properties. The objective of the presentation is the development of
a topology optimization tool for designing Fibre-plastic-composite (FPC)-structures
which is appropriate for each material involved. The objective is to optimize FPC – a
class of high-performance materials the potential of which can only be exploited with
suitable models for the utilization of their anisotropic properties – under consideration
of their capability for technical realization. In doing so, natural growth principles are
implemented into an iterative process, thereby enabling computer simulation. The
main goal of this algorithm is maximum rigidity with as even a distribution of tension
as possible throughout the component, which is achieved by distributing the load
from high-load to lower load bearing areas, thereby optimizing the material distribution.
The weight optimization of specific components is possible in this way. The basic
orientation of the base layer, the orientation of the individual laminate layers in a
manner appropriate to the power flux, as well as the topology of bonding layers
and/or the entire laminate are optimized in this design recommendation. Of particular
interest here is the adaptive structural optimization of FPC structures with localized
bonding to high-load bearing load introduction points or generally, in areas with high
stresses. As continues to be shown, the developed adaptive topology and fibre angle optimization is beneficial from a technological, material-mechanical and economical
point of view, and can be applied in everyday practice without any problems.
