2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16761Der Antrag adressiert die Optimierung von miteinander verbundenen Bauteilen. Optimiert man ein Bauteil individuell, besteht die Gefahr, dass das angrenzende Bauteil und die Verbindung dazu einer größeren Belastung ausgesetzt werden. Dies ist besonders kritisch, wenn das angeschlossene Bauteil ein Faserverbundlaminat ist. Anders als bei metallischen Strukturen führt eine lokale Spannungsspitze, z.B. hervorgerufen durch eine Steifigkeitserhöhung des angeschlossenen optimierten Bauteils, zum Versagen der Struktur. Im beantragten Projekt soll daher eine Methode entwickelt werden, mit der isotrope Bauteile und Faserverbundstrukturen sowie ihre Verbindung simultan optimiert werden. Dabei soll sowohl die Schädigung des Faserverbundlaminats mit einem entsprechenden Versagenskriterium in der Optimierung berücksichtigt werden als auch das Versagen der Verbindung. Als Verbindungselemente sollen sowohl punktuelle Verbindungen, wie bspw. Bolzen, Nieten oder Schrauben als auch flächige Verbindungen, wie z.B. Klebungen, untersucht werden. Dabei soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Steifigkeit und Festigkeit der Verbindung anisotrop sein kann. Für die Optimierung eines isotropen Bauteils werden Methoden der Topologieoptimierung angewandt, bei denen sich nur dort Strukturen ausbilden, wo sie zum Lastabtrag beitragen. Für die Optimierung des Faserverbundlaminats sollen zwei unterschiedliche Ansätze verwendet und untersucht werden. Bei einem Ansatz werden die Schichtdicken des Laminats variiert, während der andere Ansatz an die Topologieoptimierung angelehnt ist.Sowohl die punktuellen Verbindungstypen als auch die flächige Verbindung werden durch eine Vielzahl von Federelementen modelliert, die die zu verbindenden Bauteile koppeln. Diese Kopplung geschieht netzunabhängig, weshalb die Position der Verbindungselemente bzw. die Form der Verbindungsfläche als kontinuierliche Entwurfsvariablen betrachtet werden können.Schließlich werden die entwickelten Methoden in eine Optimierung hinsichtlich Ausfallsicherheit eingebettet. Dabei wird berücksichtigt, dass ein Teil der Verbindung schon versagt hat und die restliche Struktur der aufgebrachten Belastung standhalten kann.Im Vorhaben werden alle für die simultane Optimierung erforderlichen Gradienten hergeleitet und das Potential der Methode anhand von Beispielen demonstriert.The proposal addresses the optimization of jointed components. Optimizing a component individually causes the risk that the jointed component and the connection itself are exposed to higher loading. This is especially critical if the joint component is a composite structure. In difference to metallic structures, composite structures fail at stress peak, which can be caused by a stiffness increase of the joint optimized component. Within the proposed project, methods will be developed which allow the simultaneous optimization of isotropic components, composite structures and their connection. Therein, the failure of the composite laminate as well as the failure of the connecting elements will be considered in the optimization. Connection types that will be considered are pointwise connections like rivet and bolts, as well as surface connections like bonding. Both types of connections will be considered as anisotropic. For the optimization of isotropic components, topology optimization methods will be used, which provide structures with material only in areas where it contributes to the load bearing. For the optimization of the fiber composite laminate, two different approaches will be considered. In one approach, the thicknesses of the composite layer are varied, whereas the second approach is similar to topology optimization. Both, the pointwise connections as well as the surface connections, will be modelled by spring elements which couple the connected components. This coupling is mesh independent, which allows to consider the position of the connection or its shape, respectively, as continuous design variables. Finally, the developed methods will be embedded into an optimization with respect to fail-safety. Therein, a partial failure of the connection is considered and the remaining structure must be able to bear the applied load.All gradients that are required for the simultaneous optimization are derived in the project and the potential of the method is demonstrated through examples.