Multikriterielle Optimierung am Beispiel einer Turbinenbaugruppe

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Stefan Finger

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Die Leistungsfähigkeit eines Flugtriebwerks wird vom Spaltverhalten des Verdichters und der Turbine nachhaltig beeinflusst. Die Spaltgrösse ist abhängig von auftretenden Belastungen und der konstruktiven Gestaltung der beteiligten Baugruppen. Letzteres ist die Grundlage der vorliegenden Arbeit, in der das Verhalten einer Baugruppe einer Hochdruckturbine verbessert werden soll. Es sind dabei einander widersprechende Anforderungen umzusetzen, weshalb eine hohe Entwurfsvielfalt evaluiert werden muss. Ein integrierter, automatisierter Entwurfsprozess, der den CAD-Modellaufbau und die strukturmechanische Berechnung umfasst, bietet hier vielfältige Vorteile und wird im Rahmen der Arbeit erstellt. Der Entwurfsprozess ist dann die Basis für einen Optimierungsprozess, der die Vorteile genetischer Algorithmen trotz zeitintensiver FE Analysen nutzt. Es werden adaptive Antwortflächen verwendet. Eine hohe Variantenvielfalt in den umsetzbaren Entwürfen in Verbindung mit einer hohen Prozessstabilität im CAD- und FE-System sowie eine optimierungsrechte Gestaltung der Parametrisierung mit frei wählbaren Parameter und nur wenigen Nebenbedingungen bilden den Kern einer erfolgreichen Optimierung. Mit der Parametrisierung, die statt auf CAD-Variablen auf nur wenige, dimensionslose Parameter setzt, wurde eine effektive Strategie zum Erreichen der Ziele entwickelt und umgesetzt. Die gewonnene hohe Variantenvielfalt ist ein Vorteil für die Suche nach dem Optimum. Um diese auch bei restringierten Problemen in Verbindung mit Antwortflächen nutzen können, wurde ein Algorithmus entwickelt, der in der Definition der initialen Stützstellen bereits einzelne Nebenbedingungen des Optimierungsproblems aufnimmt. Die Suche kann so auf die interessierenden Bereiche fokussiert und beschleunigt werden.