Entwicklung eines Optimierungsverfahrens für crashbelastete 3D-Rahmenstrukturen mit der Graphen- und Heuristikbasierten Topologieoptimierung
In der Entwicklung von crashbelasteten Strukturen in Personenkraftwagen ist der Insassenschutz von wichtiger Bedeutung. Getrieben durch die gesetzlichen Anforderungen bei dem Inverkehrbringen der Fahrzeuge und neuen Herausforderungen für neue Fahrzeugkonzepte werden innovative Methoden zur stetigen Verbesserung von Fahrzeugstrukturen benötigt. Teile der Fahrzeugkarosserie werden zur gezielten Energieabsorption durch Deformation bei Unfällen ausgelegt, um die Insassen zu schützen. Durch die steigende Komplexität zwischen Fertigungsverfahren, Lastfällen, Kosten und gesetzlichen Anforderungen, können automatisierte Optimierungsverfahren einen großen Beitrag zu dieser Entwicklung leisten. Verfahren wie die Graphen- und Heuristikbasierte Topologieoptimierung (GHT) zur Auslegung von Strangpressprofilen können erfolgreich Lösungen unter der Berücksichtigung von hochgradig dynamischen Lastfällen generieren, wie sie in der Automobilindustrie gefordert sind. Die Schwierigkeiten liegen in der Berücksichtigung von komplexen Materialverhalten mit großen Deformationswegen, Plastizität und Dehnratenabhängigkeiten. Außerdem müssen zwischen verschiedenen Komponenten Kontakte, Reibung und Wechselwirkung berücksichtigt werden können. In dieser Dissertation wird eine Möglichkeit zur Optimierung von dreidimensionalen Rahmenstrukturen mit der GHT vorgestellt. Die Betrachtung beinhaltet die Berücksichtigung einer alternativen Geometrierepräsentation aus zusammengesetzten Profilen und deren Verbindungsknotenstrukturen und soll neue Möglichkeiten und Anwendungsfelder eröffnen. Darunter
fällt die Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen inklusive der Prüfung geometrischer Durchdringung im dreidimensionalen Raum. Für die nutzbare Topologieoptimierung werden aus Expertenwissen abgeleitete heuristische Regeln zur Optimierung von Lage und Anordnung der Profile neu konzipiert. Eine Besonderheit des Verfahrens stellt ein selektiver Prozess dar, in dem iterativ nur die besten Entwürfe verfolgt und weiter manipuliert werden. Innerhalb dieser Methode finden Form- und Dimensionierungsoptimierungen statt, aber auch das Skalieren von Querschnitten ist möglich. Die Leistungsfähigkeit wird in einer Reihe von praktischen Anwendungsbeispiele demonstriert. Dabei werden akademische Modelle untersucht und die Ergebnisse auf Plausibilität geprüft. Abschließend wird eine Möglichkeit zur Layout-Findung im Bereich eines Vorderwagens für neue Fahrzeugkonzepte gezeigt.
