Entwurf dauerhaft haltbarer Reifen unter Berücksichtigung der Datenunschärfe

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Subject Area: Mechanics ; Applied Mechanics, Statics and Dynamics
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 201926524

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Entwurf dauerhaft haltbarer Reifen unter Berücksichtigung der Datenunschärfe“ wurden numerische Simulations- und Optimierungansätze entwickelt, die in den Reifenentwurfsprozess integrierbar sind und die die Steigerung der Haltbarkeit des Luftreifens zum Ziel haben. Hauptaugenmerk wurde auf die Untersuchung der Reibung-, Abrieb- und Ermüdungsphänomene gelegt, für die neue Simulationsansätze sowie Bewertungskriterien geschaffen wurden. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt lag auf der Entwicklung effizienter Entwurfsstrategien, die die im Entwurfsprozess tatsächlich vorhandene Information realitätsnah erfassen können. Dafür wurden multikriterielle Optimierungsalgorithmen mit spezieller Berücksichtigung unscharfer Größen sowie Metamodelle, als die numerische Effizienz steigende Maßnahmen, aufbereitet. Zur Bewertung der Reifenshaltbarkeitskriterien wurde ein Modellierungsansatz der Abrieb und Reibungprozesse implementiert, der die Interaktion der beiden Phänomene einschließt sowie ein neues Reibgesetz umfasst. In dem Reibgesetz werden Metamodelle auf Basis der Antwortflächenapproximation und neuronaler Netze für eine genaue Beschreibung der nichtlinearen Abhängigkeit des Reibungbeiwerts vom lokalen Kontaktdruck sowie der Gleitgeschwindigkeit in der Kontaktfläche eingesetzt. Eine bessere Approximationsgüte dieser funktionellen Abhängigkeit im Vergleich zu den aus der Literatur bekannten Reibgesetzen konnte gezeigt werden. Die Herleitung des Reibgesetzes im Kontext der Implementierung in die Kontaktformulierung der FEM wurde erfolgreich durchgeführt. Durch die Kopplung des Reibgesetzes mit dem Abriebsimulationsansatz, der die iterative Geometrieänderung aufgrund des Materialverlusts abbildet, konnten Vorhersagen der Reifenabnutzung getroffen werden. Desweiteren wurde die Haltbarkeit des Reifens im Kontext der Ermüdung untersucht, wobei kontinuumsmechanische Versagenkriterien auf Basis der Verzerrungsenergie implementiert wurden. In einer weiteren neu entwickelten und haltbarkeitsorientierten Entwurfsmethode, die als Methode des fail-safe designs zu betrachten ist, wurden die Rissbildungsprozesse mit einem bruchmechanischen Simulationsansatz auf Basis der Methode der materiellen Kräfte untersucht. Die Anwendung des letztgenannten Verfahrens bezieht sich auf den Entwurf elastomerer Bauteile. Auf Basis der entwickelten Simulationsansätze konnten die Zielfunktionen des Reifenentwurfsprozesses definiert und ausgewertet werden. Desweiteren wurden Methoden der Multikriterienoptimierung entwickelt, die es erlauben, Daten gekennzeichnet durch epistemische Unschärfe in Form von Ungenauigkeit oder Informationsmangel, in den Optimierungsprozess einzuführen. Die Festlegung und Modellierung der unscharfen Parameter im Reifenentwurf erfolgte in Kooperation mit dem Industriepartner und stützte sich auf Expertenwissen basierten Bewertungen der Schwankungen verschiedener Größen. Das entwickelte gekoppelte Verfahren der Optimierung und der Fuzzy-Analyse ermöglicht eine systematische Auswertung unscharfer Größen im Optimierungsalgorithmus sowie die Übertragung der Unschärfe auf das Optimierungsergebniss. Die mit dem Verfahren ermittelte Menge optimaler Kompromisslösungen kann im Bezug auf die Robustheit bewertet werden. Dafür wurden geeignete Robustheitsmaße entwickelt und implementiert. Anhand des erzielten Optimierungsergebnisses − der Fuzzy-Pareto-Front − können die Kompromisse und Abwägungen zwischen den im Konflikt stehenden Zielfunktionen des Reifenentwurfsprozesses untersucht werden. Zur Steigerung der numerischen Effizienz des gekoppelten Verfahrens der multikriteriellen Optimierung und der Unschärfeanalyse wurden Metamodelle für die Approximation der Zielfunktionswerte aufbereitet. Für das Training der Feedforward Netze auf Basis des in der FE Simulation ermittelten Datensatzes wurden numerische Methoden bereitgestellt. Das als FORTRAN Programm implementierte gekoppelte Optimierungsverfahren sowie für eine kommerzielle Anwendungsumgebung (ABAQUS) entwickelte Reibung-Abrieb-Simulationsansatz mit zugehörigen Subroutinen und Python Skripten und das Programm zur Erstellung der Metamodelle wurden hinsichtlich industrieller Anwendbarkeit aufbereitet.

Publications

• A multi-objective optimization approach with consideration of fuzzy variables applied to structural tire design. Computers and Structures 116 (2013), 7–19
  Serafinska, A. ; Kaliske, M.; Zopf, C.; Graf, W.
  
• Optimized and robust design of tires based on numerical simulation. Tire Science and Technology 41 (2013), 21–39
  Kaliske, M.; Serafinska, A. ; Zopf, C.
  
• Numerical optimization of wear performance − Utilizing a metamodel based friction law. Computers and Structures 165 (2016), 10–23
  Serafinska, A. ; Hassoun, N. ; Kaliske, M.
  
• A coupled approach of optimization, uncertainty analysis and configurational mechanics for a fail-safe design of structures. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol 109 Issue 1, 6 January 2017, Pages 125-152
  Serafinska, A.; Özenç, K., Kaliske, M.