Integration der Topologie- und Formoptimierung in den automatisierten digitalen Entwurf von Fachwerkstrukturen

Von:

Manuel Ramsaier

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Ein derzeit die Forschung prägendes Thema ist die ganzheitliche digitale Abbildung des Produktentwurfs und der Fertigung. Diese ganzheitliche digitale Abbildung des Produktlebenszyklus erfordert eine interdisziplinäre Datenmodellierung und -verarbeitung, um konzeptionell das Problem der vielen Software-Werkzeuge und damit verbundenen Schnittstellen zu lösen. In dieser Arbeit wird hierzu ein Engineering-Framework mit graphenbasierten Entwurfssprachen eingesetzt. In der vorliegenden Dissertation werden Werkzeuge der dichtebasierten Topologieoptimierung für den Leichtbau genutzt. Die Topologieoptimierung ist eine Art der Strukturoptimierung, welche das Entstehen und Verschwinden von Löchern im Bauraum zulässt und die Topologie damit ändert. Sie wird in einem frühen (Konzept-) Stadium eingesetzt und weist aufgrund der dort herrschenden Freiheitsgrade enorme Potentiale hinsichtlich der Einsparung von Gewicht auf. Das Ziel dieser Arbeit ist die Einbettung der Topologieoptimierung in den ganzheitlichen Produktentwurf, sowohl in der Phase des Modelaufbaus als auch der Rückführung des Optimierungsergebnisses. Die Rückführung des Ergebnisses der Topologieoptimierung in eine parametrisierte Geometrie ist derzeit die größte Hürde für deren vollständige Automatisierung. Mithilfe eines physikalisch basierten Kriteriums wird eine Lösung für dieses Problem am Beispiel von Fachwerkstrukturen vorgeschlagen. Dabei werden die Spannungstensoren des Analyseergebnisses der Topologieoptimierung dazu verwendet, die Struktur in einzelne Balken aufzuteilen. Mithilfe dieser Strukturinterpretation ist die automatisierte Erstellung einer parametrischen Geometrie und eines FE-Modells mit eindimensionalen Balkenelementen für die Formoptimierung möglich.