Modellierung von Nichtlinearitäten und Kopplung
In der Industrie angesiedelte Hersteller von großtechnischen Bauteilen nutzen Simulationsprogramme zur Designoptimierung. Die derzeit verfügbaren Softwarepakete optimieren hauptsächlich lineare statische und modale, über finite Elemente modellierte Strukturen. Die Analysesoftware zur rechnergestützten Entwicklung und Fertigung (Computer-Aided Engineering) konzentriert sich typischerweise speziell auf ein einzelnes Phänomen. Deshalb besteht die dringende Notwendigkeit, nichtlineare und multiphysikalische Effekte einzubeziehen, innerhalb von denen eng gekoppelte Wechselwirkungen unter den eigenständigen Phänomenen auftreten. EU-finanzierte Wissenschaftler nehmen sich mit ihrer Arbeit an dem Projekt "Large scale industrial structural optimisation for advanced applications" (LASCISO) dieser Herausforderung an. Innerhalb des ersten Berichtszeitraums hat das Team ausgezeichnete Fortschritte in Richtung der gesteckten Ziele vorzuweisen. Die Forscher entwickelten einen in Matlab implementierten, multiphysikalischen Topologieoptimierungsprototyp, der eine signifikante Verkürzung der Rechenzeit verspricht. Ein ähnlicher Topologieoptimierungsalgorithmus wurde für stark nichtlineare elastische Probleme aufgestellt. Eine wichtige Komponente von Struktursimulationen ist die Sensitivitätsanalyse, da sie die Konstrukteure auf dem Weg zum Bau robusterer Modelle bei der Bestimmung von Quellen und Auswirkungen von Unsicherheit unterstützt. So arbeitet LASCISO an der Realisierung der Erweiterung aktueller, auf Empfindlichkeit basierender Modelle. Die Forscher entwickelten zahlreiche Sensitivitätsanalysen für Topologie und geometrische nichtlineare Formoptimierung. Die Simulierung einer Oberfläche aus vordefinierten Knoten oder Punktwolken, d. h. Datenpunktsätzen in einem Koordinatensystem hat entscheidende Bedeutung für die Strukturmodellierung. Idealerweise setzt man den minimalen Datensatz und Berechnungen mit maximaler Genauigkeit ein. Das Team hat überdies sowohl klassische als auch schnelle Oberflächenverfahren zur Umwandlung von Punktwolken in hocheffiziente Modelle eingeführt. Zum Abschluss entwickelten die Forscher zwecks Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Technologie systematische Experimente, in denen die Auswirkungen einer Anzahl von Algorithmusparametern bewertet und diese an Produkten umgesetzt werden, an denen Interesse besteht. Viele der Algorithmen sind bereits in der industriellen Praxis angewendet worden. Die LASCISO-Wissenschaftler planen, Europas Ingenieure mit Bauteileoptimierungssoftware auszustatten, die ihnen einen Wettbewerbsvorsprung verschafft. Die Befähigung, Nichtlinearitäten und mehrfach interagierende Phänomene handhaben zu können, sollte den Entwicklern eine Hilfe dabei sein, leistungsfähigere Produkte zu liefern, die außerdem der Umwelt dienlich sind.
Schlüsselbegriffe
Strukturell, Simulation, nichtlinear, Multiphysik, Optimierung
