Layout-Topologieoptimierung von unkonventionell versteiften FVK-Strukturen unter Berücksichtigung von Herstellbarkeitskriterien (OptiFee)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Sebastian Heimbs, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450687126

In der Topologieoptimierung versteifter Leichtbaustrukturen, wie z. B. eines Flugzeugrumpfes, werden Versteifungslayouts hinsichtlich Masse und Herstellkosten bewertet. Für diese Bewertung werden detaillierte Strukturdaten benötigt, die besonders für unkonventionelle Topologien derzeit nicht ohne hohen Rechenaufwand zur Verfügung stehen. Zusätzlich ergeben sich bei unkonventionellen Topologien größere Einschränkungen durch Aspekte der Herstellbarkeit sowie Herausforderungen in der Kostenbestimmung. Daher wird die Topologieoptimierung im Entwurf von Flugzeugstrukturen hauptsächlich zur Optimierung konventioneller Versteifungslayouts eingesetzt. Masseneinsparungen durch den Einsatz von CFK, fasergerecht konstruierten und an lokale Lasten angepasste Versteifungen werden somit nicht berücksichtigt.Das beantragte Projekt verfolgt daher das Ziel eine Bewertungsmethode zu entwickeln und zu erforschen, die es ermöglicht unkonventionelle Versteifungslayouts recheneffizient hinsichtlich Masse, Herstellkosten und Herstellbarkeit zu bewerten. Die Basis für diese Bewertung bildet eine zu entwickelnde integrierte Struktur- und Prozesskettenauslegung, die auf eine detaillierte konstruktive Ausgestaltung der Versteifungslayouts verzichtet und stattdessen zulässige Bereiche für Geometrie- und Materialparameter definiert. In der Strukturauslegung zeigt der Einsatz von Ersatzmodellen in Kombination mit reduzierten FE-Modellen Potential Rechenzeiten zu reduzieren. Eine Vielzahl an Ersatzmodellen werden bereits zur Überprüfung verschiedener Auslegungskriterien auf konventionelle Strukturen angewandt. Das IFL erforscht daher die Möglichkeit basierend auf reduzierten FE- und Ersatzmodellen detaillierte Auslegungskriterien bei unkonventionellen Strukturen zu überprüfen. Um das zu ermöglichen müssen zunächst fehlende Ersatzmodelle für komplexe Knotenpunkte und nicht-rechteckige Hautfelder erforscht werden. Die für die Bewertung der Herstellkosten benötigten Methoden wie z.B. Prozessplanungsmethoden und Kostenmodelle sind überwiegend im Bereich der metallischen Strukturen bekannt und basieren auf detaillierten Strukturentwürfen. Eine Übertragung der vorhandenen Methoden auf FVK-spezifische Prozessketten ist nur eingeschränkt möglich. Dies gilt auch für benötigte Herstellbarkeitskriterien. Das IFW erweitert die vorhandenen Methoden basierend auf Technologiesimulationen für ausgewählte FVK-spezifische Prozesse. Außerdem untersucht es, ob eine vergleichende Kostenbewertung auf Basis zulässiger Parameterbereiche möglich ist. Zur Untersuchung der Herstellbarkeit komplexer Knotenpunkte werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Abschließend wird der Einsatz der neuartigen Bewertungsmethode in verschiedenen Topologieoptimierungen unkonventionell versteifter Strukturen untersucht. Dazu werden verschiedene Parameterstudien zu Parametern des Lösungsraums und eines Optimierungsalgorithmus durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Horst, bis 8/2022