Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Das Phänomen der Multistabilität von unsymmetrischen Mehrschichtverbunden und deren gezielte Auslegung für praxisrelevante Verwendungszwecke werden von Christoph Stehncken grundlegend untersucht. In einer Sensitivitätsanalyse analysiert er numerisch und experimentell die Einflussparameter und zeigt dabei Möglichkeiten zur Maximierung der strukturmechanischen Koppeleffekte auf. Nach einer Effektivitätsbewertung der Aktorik zur gezielten Deformation der Mehrschichtverbunde auf Basis von intelligenten Materialien weist er Wege zur Minimierung des Energiebedarfs durch eine resonanzinitiierte Formumwandlung auf. Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Ergebnisse werden dabei anhand von Beispielen aus dem automobilen Umfeld veranschaulicht und experimentell validiert.
Daneben entwickelt Christoph Stehncken eine ökonomisierte Rechenmethodik, mit der sowohl die diversen Gleichgewichtsformen, das dynamische Verhalten als auch die Instabilitätspunkte über eine vereinfachende Nullstellen-Betrachtung der Eigenwerte bei sukzessiver Lastbeaufschlagung bestimmt werden können.
Mit den entwickelten Auslegungsmethoden können multistabile Mehrschichtverbunde somit in Zukunft innerhalb der aufgezeigten Anwendungsgrenzen überall dort eingesetzt werden, wo diskrete Gestaltsänderungen zur Erhöhung z.B. der automobilen Leistungsfähigkeit erreicht werden sollen (Diskrete Aerodynamikbeeinflussung durch Ventile, Klappen, Abrisskanten und Spoiler; Substitution konventioneller Mechanikstrukturen wie Schalter; Montage und Transporthilfen, Design-Morphing, u.v.m.).
Aktualisiert: 2021-07-10
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