Optimierungsverfahren zur Erhöhung der Versagenslasten von Bolzenverbindungen in faserverstärkten Strukturen

Faserverbundkunststoffe (FVK) besitzen enormes Leichtbaupotenzial und ein weites Einsatzspektrum. Die vielen Freiheitsgrade erschweren bei der Gestaltung eines Faserverbundlaminats die Auslegung. Ein strukturiertes und zielorientiertes Auslegen kann mittels numerischer Strukturoptimierung erfolgen. Dieser Prozess ist Bestandteil der Dissertation. Dabei wird die Optimierung von Bolzenverbindungen behandelt, wofür ein Verfahren entwickelt wird. Dieses beinhaltet die Topologieoptimierung eines modifizierten Anfangsmodells, die Überführung des erzeugten Ergebnisses in ein Laminatmodell und die darauf aufbauende Dimensionierung. Hierzu kann eine Kontaktmodellierung und -analyse angewendet werden, um eine Approximation der Kontaktlast zur detaillierten Abbildung der Krafteinleitung in einem Lastmodell bereitzustellen und eine genaue Nachrechnung des Optimierungsergebnisses zu ermöglichen. Die entwickelte Methode wird an zwei Beispielen gezeigt. Mit einer Kragscheibenoptimierung wird die Plausibilität und die Güte der Ergebnisse anhand von Vergleichsmodellen sowie einem Referenzprozess belegt. Im Anwendungsbeispiel wird die Bolzenverbindung ausgiebig behandelt. Neben der Betrachtung der Kontaktsituation und der Approximation der Kontaktlast wird ein Ausgangszustand ausgelegt und modelliert. Als Optimierungsziel wird diese Bolzenverbindung mit möglichst wenig Zusatzvolumen soweit verstärkt, dass bei höchster Steifigkeit die doppelte Versagenslast übertragen werden kann. Die optimale Verstärkung wird hierbei mit der entwickelten Methode erreicht und stellt gegenüber Vergleichsmodellen eine Verbesserung dar. Zudem wird mit dem verallgemeinerten Startentwurf innerhalb der Methode die Findung eines zulässigen Optimalentwurfs im Vergleich zu einem Referenzprozess vereinfacht.