Manufacturing-constrained multi-objective optimization of local patch reinforcements for discontinuous fiber reinforced composite parts
Creators: name: Fengler, Benedikt
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Optimization
Composite Optimization
Lokal patch reinforcement
fiber reinforced composites

description: Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von lokalen endlosfaserverstärkten Patches, unter Berücksichtigung von Fertigungsbedingungen.
Die Kombination von diskontinuierlich und kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen bietet ein breites Anwendungsspektrum. Dabei kann die hohe Gestaltungsfreiheit der diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe (DiCoFRP) mit den hohen spezifischen Materialeigenschaften der kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffe (CoFRP) kombiniert werden. Dieser Ansatz erfordert allerdings spezifische Optimierungsstrategien. Daher wurde eine Mehrziel-Optimierungsstrategie, in welcher Fertigungsrandbedingungen Berücksichtigung finden, für die Positionierung und Dimensionierung von lokalen Endlosfaserverstärkungen entwickelt.
Der in dieser Arbeit entwickelte Mehrziel-Optimierungsansatz verwendet dabei einen evolutionären Algorithmus als Optimierungsalgorithmus. Da diese Klasse von Algorithmen eine Vielzahl von Funktionsauswertungen erfordert, sind effiziente Methoden zur Bewertung der Fitnesswerte notwendig. Aus diesem Grund wird eine kinematische Drapiersimulation zur Vorhersage der Patch-Geometrie verwendet. Um die Fähigkeit der kinematischen Drapierung zu demonstrieren, wird ein Vergleich mit einem mechanischen Ansatz durchgeführt. Dieser Vergleich zeigt den Vorteil der kinematischen Drapiersimulation, die geringe Rechenzeit, sowie deren Nachteil, eine weniger genaue Vorhersage des Umformverhaltens.
Als Zielfunktionen für die Mehrzieloptimierung werden sowohl strukturelle als auch prozessbezogene Ziele verwendet. Als strukturelles Optimierungsziel wird die Bauteilsteifigkeit verwendet, welche mittels einer linear-elastischen Struktursimulation ermittelt wird, während für das prozessbezogene Ziel eine Verzugssimulation durchgeführt wird. Um die prozessbezogenen Zielfunktionen, Bauteilverzug und Eigenspannungen, zu ermitteln, muss das Aushärteverhalten modelliert werden. Hierfür wird eine Abaqus Subroutine vom Typ UEXPAN verwendet, mit welcher sich das Aushärteverhalten und die daraus resultierenden Dehnungen effizient bestimmen lassen. Neben dem Verzugsziel werden weitere relevante Fertigungseinflüsse und –randbedingungen aus dem Halbzeug-, Drapier- und Co-Molding-Prozess diskutiert und finden während der Optimierung Berücksichtigung. Die Visualisierung der Optimierungsergebnisse erfolgt mit Hilfe von Heat-Maps, in denen Bereiche hervorgehoben werden, welche den größten Einfluss auf die Optimierungsziele haben. Darüber hinaus werden Ungenauigkeiten aus dem Herstellungsprozess mittels einer Robustheitsbewertung berücksichtigt. Hierfür wurde ein Workflow entwickelt, um die beiden Robustheitsbewertungsgrößen, Degree of Robustness und Robustness Index, im Nachgang zur Optimierung zu berechnen. Die Berechnung erfolgt mit einem rechnerisch effizienten Ansatz, unter Verwendung eines Kriging-Metamodells welches auf den bei der Optimierung gewonnenen Daten aufbaut. 
Die entwickelte Optimierungsstrategie wird anhand einer Reihe von Anwendungsbeispielen, angefangen bei einfachen 2D-Geometrien bis hin zu einem komplexen 3D-Beispiel, demonstriert. Dabei wird der Einfluss verschiedener Einstellungen des Optimierungsalgorithmus diskutiert. Dabei wird auch der Einfluss der Anzahl der Zielfunktionen auf die Performance des Optimierungsansatzes anhand der 3D-Beispielstruktur demonstriert.