Simultane Topologie-, Form- und Lagenoptimierung von gefügten isotropen Bauteilen und Faserverbundlaminaten unter Berücksichtigung von Materialschädigung und Ausfallsicherheit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Benedikt Kriegesmann
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406315228

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In der Strukturmechanik (insbesondere in der Luftfahrt) wird für bestimmte Bauteile Ausfallsicherheit gefordert, was bedeutet, dass die Struktur trotz Wegfalls eines primären Lastpfades einen gewissen Teil der vorgesehenen Belastung standhält. Weiterhin kommen im Entwurfsprozess tragender Strukturen zunehmend Optimierungsmethoden zum Einsatz, um beispielsweise möglichst viel Gewicht einzusparen. In der konventionellen Entwurfsoptimierung ist es möglich, Ausfallsicherheit als Nebenbedingung innerhalb der Optimierung zu berücksichtigen. Dazu werden während der Optimierung Strukturelemente entfernt und so die Ausfallsicherheit überprüft. Bei der Topologieoptimierung hingegen entsteht eine Struktur erst im Verlauf der Optimierung. Dadurch lies sich bisher Ausfallsicherheit nur unter extrem großen Rechenkosten während der Optimierung berücksichtigen. Während der ersten Projektphase wurde zunächst eine Methode entwickelt, mit der sich Lastpfade während der Optimierung identifizieren und so gezielt deren Ausfälle berücksichtigen und Rechenzeiten reduzieren lassen. Es zeigte sich jedoch, dass die dadurch entstehende fortwährende Änderung des Optimierungsproblems in der Regel Konvergenz verhindert. Daher wurde ein Ansatz entwickelt, in dem eine kosteneffiziente Topologieoptimierung einen redundanten Entwurf erzeugt und dieser anschließend formoptimiert wird. Da sich während der Formoptimierung Lastpfade nicht ändern, kann darin ein reduzierter Satz an Schadensszenarien berücksichtigt werden. Weiterhin wurde untersucht wie sich die Betrachtung von Spannungen auf die Topologieoptimierung hinsichtlich Ausfallssicherheit auswirkt. Es zeigte sich, dass die Form des angenommenen Schadens einen überraschend geringen Einfluss auf das Optimierungsergebnis hat. Zusätzlich wurden die Ausfallsicherheit in der simultanen Optimierung zweier Bauteile und deren Verbindungselemente berücksichtigt. Diese Arbeit bildete den Grundstein für die zweite Projektförderphase. In dieser wurde die Verbindung eines isotropen Bauteils und einer Faserverbundschale betrachtet. Es wurde eine Ansatz entwickelt, in dem das isotrope Bauteil topologieoptimiert wird, während gleichzeitig die Orte der Verbindungselemente und das Faserverbundlaminat optimiert werden. Es zeigte sich, dass allein die Berücksichtigung eines Schadenskriteriums in der Faserverbundschale einen erheblichen Einfluss auf die Topologie des isotropen Bauteils hat. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit einer ganzheitlichen Betrachtung bei der Optimierung von Bauteilen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Adaptive Strategies for Fail-Safe Topology Optimization. EngOpt 2018 Proceedings of the 6th International Conference on Engineering Optimization, 200-211. Springer International Publishing.
  Ambrozkiewicz, Olaf & Kriegesmann, Benedikt
  
• Fail-safe optimization of beam structures. Journal of Computational Design and Engineering, 6(3), 260-268.
  Lüdeker, Julian Kajo & Kriegesmann, Benedikt
  
• „Fail-safe design of topology optimized structures using density-based member shaping“, in 5th ECCOMAS Young Investigators Conference, Krakow, Poland, Sep. 2019
  O. Ambrozkiewicz & B. Kriegesmann
  
• Density-based shape optimization for fail-safe design. Journal of Computational Design and Engineering, 7(5), 615-629.
  Ambrozkiewicz, Olaf & Kriegesmann, Benedikt
  
• Simultaneous topology and fastener layout optimization of assemblies considering joint failure. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 122(1), 294-319.
  Ambrozkiewicz, Olaf & Kriegesmann, Benedikt
  
• An empirical study on stress-based fail-safe topology optimization and multiple load path design. Structural and Multidisciplinary Optimization, 64(4), 2113-2134.
  Kranz, Micah; Lüdeker, Julian K. & Kriegesmann, Benedikt
  
• Fail-safe topology optimization, gehalten auf dem 16th TOP Webinar, Online, 28. Oktober 2021. [Online]
  M. Kranz, O. Ambrozkiewicz, J.K. Lüdeker & B. Kriegesmann
  
• „Simultaneous topology and fastener layout optimization of assemblies“, gehalten auf dem 12th TOP Webinar, Online, 29. April 2021. [Online]
  O. Ambrozkiewicz & B. Kriegesmann
  
• „Data-fitted constraint aggregation schemes“, gehalten auf dem 8th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2022), Oslo, Norway, 09.06 2022
  O. Ambrozkiewicz & B. Kriegesmann
  
• „Structural optimization of components and joints in assemblies considering fail-safety“, Dissertation, Technische Universität Hamburg
  O. Ambrozkiewicz
  
• „Simultaneous Optimization of Composite Plates, Metallic Components and Their Joints“, gehalten auf dem 9th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS 2024), 4. Juni 2024
  B. Kriegesmann, O. Ambrozkiewicz & K. Schneider