Manufacturing-constrained multi-objective optimization of local patch reinforcements for discontinuous fiber reinforced composite parts

Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Optimierung von lokalen endlosfaserverstarkten Patches, unter Berucksichtigung von Fertigungsbedingungen. Die Kombination von diskontinuierlich und kontinuierlich faserverstarkten Kunststoffen bietet ein breites Anwendungsspektrum. Dabei kann die hohe Gestaltungsfreiheit der diskontinuierlich faserverstarkten Kunststoffe (DiCoFRP) mit den hohen spezifischen Materialeigenschaften der kontinuierlich faserverstarkten Kunststoffe (CoFRP) kombiniert werden. Dieser Ansatz erfordert allerdings spezifische Optimierungsstrategien. Daher wurde eine Mehrziel-Optimierungsstrategie, in welcher Fertigungsrandbedingungen Berucksichtigung finden, fur die Positionierung und Dimensionierung von lokalen Endlosfaserverstarkungen entwickelt. Der in dieser Arbeit entwickelte Mehrziel-Optimierungsansatz verwendet dabei einen evolutionaren 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 Fahigkeit der kinematischen Drapierung zu demonstrieren, wird ein Vergleich mit einem mechanischen Ansatz durchgefuhrt. Dieser Vergleich zeigt den Vorteil der kinematischen Drapiersimulation, die geringe Rechenzeit, sowie deren Nachteil, eine weniger genaue Vorhersage des Umformverhaltens. Als Zielfunktionen fur 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, wahrend fur das prozessbezogene Ziel eine Verzugssimulation durchgefuhrt wird. Um die prozessbezogenen Zielfunktionen, Bauteilverzug und Eigenspannungen, zu ermitteln, muss das Ausharteverhalten modelliert werden. Hierfur wird eine Abaqus Subroutine vom Typ UEXPAN verwendet, mit welcher sich das Ausharteverhalten und die daraus resultierenden Dehnungen effizient bestimmen lassen. Neben dem Verzugsziel werden weitere relevante Fertigungseinflusse und –randbedingungen aus dem Halbzeug-, Drapier- und Co-Molding-Prozess diskutiert und finden wahrend der Optimierung Berucksichtigung. Die Visualisierung der Optimierungsergebnisse erfolgt mit Hilfe von Heat-Maps, in denen Bereiche hervorgehoben werden, welche den grosten Einfluss auf die Optimierungsziele haben. Daruber hinaus werden Ungenauigkeiten aus dem Herstellungsprozess mittels einer Robustheitsbewertung berucksichtigt. Hierfur wurde ein Workflow entwickelt, um die beiden Robustheitsbewertungsgrosen, 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.