Leichtbauentwurf von arm-ähnlichen Systemen durch Kopplung von Topologieoptimierung und bioinspirierter Antriebsoptimierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Beate Bender; Professor Dr.-Ing. Axel Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529212372

In dem Projekt soll eine Methode erforscht werden, mit der eine kombinierte Optimierung von Designparametern des Antriebskonzepts und der Topologie des zugehörigen Strukturaufbaus von arm-ähnlichen Systemen möglich ist. Diese Systeme müssen sowohl aus Gründen der Ressourceneffizienz als auch für ein günstiges dynamisches Verhalten möglichst leicht sein. Eine Reduzierung des Systemgewichts wird durch die voneinander unabhängige Optimierung des Strukturaufbaus und des Antriebskonzepts möglich. Sie kann noch verbessert werden, indem Struktur und Antriebssystem gekoppelt optimiert werden, wodurch z. B. der Einfluss der Antriebsmassen auf die Struktur berücksichtigt werden kann. Die gemeinsame Optimierung ist auch dann wichtig, wenn die Antriebe durch die Antriebskräfte die Lastverteilung in der Struktur aktiv beeinflussen können. In der Biologie wird für das Muskel-Skelett-System mit dem „Zuggurtungsprinzip“ ein Ansatz beschrieben, mit dem eine solche Beeinflussung über Muskeln erfolgt. Der Ansatz wird u.a. für die geringen Knochenmassen verantwortlich gemacht. Die technische Umsetzung des Ansatzes ist durch Antriebskonzepte mit Linearantrieben und der Antriebskonzeptoptimierung möglich. Das Antriebsgewicht und der Bauraum eines arm-ähnlichen technischen Systems hängen dabei stark vom gewählten Wirkprinzip des Aktors (Gleichstrommotor, Hydraulik, Pneumatik, Muskel, …), dessen Leistungsklasse und dem Getriebe (Direktantrieb, Harmonic Drive, Seiltrieb, Riementrieb, ...) ab. Folglich ist eine verallgemeinerte Behandlung des Leichtbaupotenzials des Ansatzes nicht trivial. Designparameter des Antriebskonzepts sind die Anzahl, Lage und der Angriffswinkel der Lastangriffspunkte. Durch die Topologieoptimierung lässt sich die Struktur für bestimmte Lastfälle und verschiedene Ziel- und Restriktionsfunktionen optimieren. Entscheidend wird sein, welcher Modellierungsaufwand und Automatisierungsgrad welchem Leichtbaupotenzial und Nutzen zur Forschung gegenübersteht. Hierzu soll der Frage nachgegangen werden, wie detailliert die Simulationsmodelle sein müssen, um dieses Potential darstellen zu können. Zudem soll geklärt werden, welche Eingangs- und Ausgangsgrößen als verfügbar und welche als erforderlich angenommen werden müssen. Finales Ergebnis soll ein automatischer Ablauf sein, mit dem unterschiedliche arm-artige Systeme optimiert werden können. Zur Berücksichtigung aller relevanten Einflussfaktoren wird die Ermöglichung einer automatisierten Optimierung mit Einflussgrößen aus verschiedenen Arten von Simulationen oder die gemeinsame Optimierung von mehreren Teilproblemen (Multi-Level-Optimierung) angestrebt. Die Effizienz der Optimierung soll über Gestaltungsheuristiken verbessert werden. Im Speziellen wird das technische Zuggurtungsprinzip an ausgewählten Beispielen für arm-ähnliche Systeme zur bioinspirierten Antriebsoptimierung herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen