Fakultät für Maschinenbau und Sicherheitstechnik

Graphen- und Heuristikbasierte Topologieoptimierung axial belasteter Crashstrukturen

Stranggepresste Profilstrukturen finden, unter anderem aufgrund ihrer Energieabsorptionseigenschaften, eine weite Verbreitung als Crashstrukturen im Vorderwagen

und Heck von Kraftfahrzeugen. Zur effizienten Auslegung dieser Strukturen hinsichtlich ihres Crashverhaltens können Methoden zur Topologieoptimierung eine Schlüsselrolle spielen. Etablierte Methoden zur Topologieoptimierung sind aufgrund der in der Crashsimulation auftretenden Nichtlinearitäten in der Regel ungeeignet. Aus diesem Grund wurden neue Methoden wie die Graphen- und Heuristikbasierte Topologieoptimierung (GHT) entwickelt. Die GHT nutzt mathematische Graphen für eine vereinfachte Beschreibung der Querschnittsgeometrie und konkurrierende Heuristiken zur Topologiemodifikation. Die aus Expertenwissen abgeleiteten Heuristiken wurden dabei mit dem Fokus auf lateral belastete Crashstrukturen (z.B. Fahrzeugschweller im Seitencrash), welche vorwiegend mittels lateraler Kompression und Biegung deformieren, entwickelt.

Bei axial belasteten Crashstrukturen kann die Crashenergie effizient mittels Faltenbeulen absorbiert werden. Im Gegensatz zu lateral belasteten Crashstrukturen müssen hierbei jedoch andere Anforderungen berücksichtigt werden, um eine hohe Energieabsorption bei gleichzeitiger robuster Initiierung und Aufrechterhaltung des Faltenbeulens zu erreichen. Aus diesem Grund werden in der vorliegenden Arbeit neue Heuristiken für die GHT entwickelt, welche die genannten Anforderungen adressieren. Da die Struktureigenschaften axial belasteter Profile zudem sensitiv hinsichtlich kleiner Konstruktionsunterschiede sein können, wird die automatisierte Generierung von FE-Modellen in der Methode erweitert, um geometrische Details berücksichtigen zu können. Zudem sind Triggermechanismen zur Beeinflussung der Struktureigenschaften etabliert und werden daher ebenfalls integriert.

Die Eignung der Methode zur Topologieoptimierung von axial belasteten Crashstrukturen wird in verschiedenen Anwendungsbeispielen aufgezeigt. Aufgrund der implementierten Überprüfung von Fertigungsrestriktionen, der Berücksichtigung von geometrischen Details in der Modellerzeugung sowie der Effizienz hinsichtlich der benötigten Funktionsaufrufe ist die Methode zur Topologieoptimierung von Crashstrukturen in einem industriellen Entwicklungsumfeld geeignet.

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