Faser-Kunststoff-Verbunde zeichnen sich durch ihr hohes Leichtbaupotential aus, ihr Einsatz erfordert in der Strukturentwicklung allerdings tiefergehendes Verständnis des Konstruktionsmaterials und der Fertigungsprozesse. Speziell in der Interaktion von Struktur und Produktion finden sich verschiedene Herausforderungen. Häufiger Gegenstand von Forschungsarbeiten sind Abhängigkeiten im lokalen Detail, z. B. die Einflüsse von Prozessparametern und Fertigungsfehlern auf Materialeigenschaften. Weitere Interaktion liegt in globalen Zusammenhängen: Gewählte Prozessketten schränken den Gestaltungsraum des Entwicklers ein und bestimmen sowohl mechanische Eigenschaften des Produktes als auch die Kostenstruktur der Produktion. Die Entwicklung mit dem Ziel produktionsgerechter Leichtbaustrukturen muss diese Zusammenhänge in den Fokus nehmen.
Ein Ansatz zur Integrierten Entwicklung wird beschrieben, mit dem Produktionsaspekte frühzeitig einbezogen werden können. Es wird dafür ein Vorgehen definiert, das von Beginn an mit interdisziplinären Konzepten arbeitet, die im Weiteren schrittweise ausgelegt werden und von denen sich jeweils nur die vielversprechendsten für den nächsten Schritt qualifizieren. Die ersten Schritte in diesem Vorgehen sind von fundamentaler Wichtigkeit, weshalb auf ihnen der Fokus der durchgeführten Untersuchungen liegt. Als durchgängiges Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung einer versteiften Seitenschale eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Konzepterzeugung verfolgt einen systematischen Ansatz. Ein Morphologischer Kasten ist nach Konzeptmerkmalen aus den Bereichen Struktur und Produktion gegliedert und beinhaltet für diese jeweils unterschiedliche Ausprägungen als alternative Teillösungen. Konsequenz der interdisziplinären Betrachtung in der Konzepterzeugung ist ein erheblich vergrößerter Lösungsraum.
Für die Konzeptbewertung werden Analyse- und Optimierungsmethoden untersucht. Eine Kombination der Auslegung mit Optimalitätskriterien und lokalen Optimierungen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Auslegungsgüte und Berechnungsaufwand, der es erlaubt, die vollständige Lösungsmenge in den Attributen Produktionskosten und Strukturmasse zu bewerten. Es wird diesbezüglich die Ausdehnung der Lösungsmenge, die ausgebildete Pareto-Front und der Einfluss der alternativen Teillösungen der einzelnen Konzeptmerkmale betrachtet. Die Ergebnisse werden mit denen einer Rumpfunterschale mit geänderter Lastsituation verglichen. Die Bestimmung der Auslegungsgüte erfolgt durch den Vergleich mit einer höherwertigen aber auch aufwändigen Referenzmethode und definiert den Vertrauensbereichs der durchgeführten Bewertung. Der Vertrauensbereich wird genutzt, um die Lösungsmenge auf diejenigen Konzepte zu reduzieren, die in späteren Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden sollen.
Zur Konzeptauswahl werden unterschiedliche Optimierungsverfahren in der Anwendung auf der bewerteten Lösungsmenge verglichen. Als Optimierungsproblem ist die Kombination von Teillösungen aus dem Morphologischen Kasten aufbereitet. Die betrachteten Optimierungsverfahren sind ein Evolutionärer Algorithmus, das Simulated Annealing und das Branch and Bound. Zu jedem Verfahren wird ein Algorithmus mit Parametern konfiguriert, deren Abstimmung umfangreich untersucht ist. Letztlich wird aufgezeigt, welches Verfahren am leistungsfähigsten ist, zum einen bei der schnellen Suche des bestbewerteten Konzeptes und zum anderen beim Finden der Lösungsmenge, die in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden soll.
Die vorgestellten Methoden geben dem Entwickler die Möglichkeit, systematisch, automatisiert und mit geringem Berechnungsaufwand in einer frühen Phase der Entwicklung die aussichtsreichsten Konzepte zu bestimmen, sodass er seine weiteren Arbeiten auf diese konzentrieren kann. Durch den systematischen Ansatz in der Konzepterzeugung sind hierbei auch Konzepte berücksichtigt, die andernfalls ggfs. unentdeckt blieben. Die Konzeptauswahl reduziert den Aufwand für den nächsten Entwicklungsschritt um über eine Größenordnung.
Aktualisiert: 2023-03-23
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Aktualisiert: 2023-04-17
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Aktualisiert: 2023-04-17
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Die Arbeit beschäftigt sich mit der optimierten Auslegung von Federscheibenventilen. Es werden Modelle und Methoden erarbeitet, mit denen Federscheibenkombinationen identifiziert werden können, welche ein spezifisches Verhalten aufweisen oder robust gegenüber Geometrieunsicherheiten sind. Anhand von vereinfachten Überlegungen und Messungen wird gezeigt, dass sich das Ventilverhalten bei quasi-stationären Dämpferanregungen sehr genau durch Druckmessungen beschreiben lässt und somit auf Öffnung-Druckverlust-Charakteristiken von Federscheibenaufbauten geschlossen werden kann. Mittels Finite Elemente Methode und vollständig automatisierten Prozessabläufen wird das Verhalten von Federscheibenaufbauten innerhalb weniger Minuten bestimmt. Es werden Optimierungsmethoden präsentiert, die mittels Antwortflächen und stochastischen Methoden innerhalb weniger Stunden ausreichend genaue Federscheibenaufbauten für vorgegebene Charakteristiken identifizieren können. Mit Sensitivitätsanalysen wird gezeigt, dass nicht alle Scheiben einen ähnlichen Einfluss auf das Ventilverhalten haben. Untersuchungen auf dem Gesamtfahrzeugprüfstand zeigen, dass die so identifizierten Dämpfer auch im Fahrzeug ein nahezu identisches Antwortverhalten der Karosserie erzeugen. Neben der skalaren bzw. bi-kriteriellen Optimierung wird die Robustheit der Federscheibenventile gegenüber Geometrieunsicherheiten untersucht. Es wird anhand von nachträglichen Robustheitsbewertungen gezeigt, dass sich die Robustheit der Aufbauten unterscheiden kann. Daher wird abschließend eine direkte robuste Optimierung vorgestellt, die gezielt robuste Federscheibenaufbauten identifiziert.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Im Rahmen der Arbeit wird der Einsatz von numerischen Optimierungsverfahren in der Auslegung von transsonischen Radialverdichtern experimentell und numerisch untersucht. Die Analyse erfolgt auf Basis eines Vergleiches zwischen einer Regelgeraden- (Ausgangsdesign) und Freiformflächenbeschaufelung (optimiertes Design).
Der Vergleich beider Laufräder zeigt, dass der Wirkungsgradvorteil des optimierten Designs im Wesentlichen auf ein homogeneres Laufradabströmprofil bzw. geringere Diffusorverluste zurückzuführen ist. Die Homogenisierung des Abströmprofils folgt sowohl aus der veränderten Schaufelneigung als auch dem unterschiedlichen Raumwinkelverlauf der Schaufel am Radaustritt. Aus einer Analyse der Sekundärströmungsentstehung im Laufrad geht hervor, dass der saugseitige Schaufeloberflächenwirbel beim optimierten Design durch die gewölbte Schaufel (sog. negative compound lean) signifikant abgeschwächt und damit der Transport niederenergetischen Fluides von Nabe zu Gehäuse reduziert wird. Der veränderte Raumwinkelverlauf führt zu einer Schaufelentlastung am Radaustritt, infolge derer wirkungsgradmindernde Rückströmungen bei der optimierten Schaufelgeometrie unterdrückt werden.
Aktualisiert: 2019-12-27
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In dieser Arbeit wird die Optimierung der Energieeffizienz zweibeiniger Roboter durch den Einsatz elastischer Kopplungen untersucht. Die betrachteten Roboter werden als unteraktuierte Systeme modelliert und mittels Ein-Ausgangs-Linearisierung geregelt. Zur Untersuchung des Einflusses der elastischen Kopplungen auf Energieeffizienz sowie Stabilität und Robustheit werden parallel die Bewegungen der Roboter als auch deren elastische Kopplungen unter Anwendung numerischer Algorithmen optimiert.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Wenn zur NC-Datenerstellung für das räumliche Laserstrahlschneiden Offline-
Programmiersysteme eingesetzt werden, ist das exakte Übereinstimmen der Lage
des verwendeten CAD-Modells mit dem realen Bauteil zwingend erforderlich. In der
vorliegenden Arbeit werden zwei Konzepte zur Bauteilkalibrierung verfolgt.
Durch Nutzen einer aus dem CAD-Modell abgeleiteten Bestimmvorrichtung wird die
Lage vom CAD-Modell auf das reale Bauteil übertragen. Hierzu wurden Softwaremethoden
zum Rechner gestützten, grafisch interaktiven Vorrichtungsentwurf entwickelt.
Die Lage des CAD-Modells wird am realen Bauteil mittels Besteinpassung in eine am
Bauteil aufgenommene Messpunktmenge ausgerichtet. Hierzu werden Methoden
entwickelt, die bereits bei einer geringen Anzahl Messpunkte, die zudem abweichungsbehaftet
sind, zur zuverlässigen Einpassung führen.
Die Validierung der entwickelten Methoden erfolgt in der industriellen Praxis.
Aktualisiert: 2019-10-17
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Aktualisiert: 2023-04-04
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