Topologieoptimierung crashbeanspruchter Fahrzeugstrukturen

Ziel des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens ist die methodische und softwaretechnische Umsetzung eines industriell einsatzfähigen Verfahrens zur Topologieoptimierung der Querschnitte von Strangpressprofilen für Crash-Lastfälle.

Es handelt es sich hierbei um ein Verbundprojekt mit den Partnern

  • Automotive Simulation Center Stuttgart e. V.
  • DYNAmore GmbH
  • Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
  • SFE GmbH
  • Prof. F. Duddeck (TU München) als Kooperationspartner der SFE GmbH

Zudem werden die assoziierten Partner

  • Adam Opel GmbH
  • Daimler AG
  • Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG
  • Goethe‐Universität Frankfurt Goethe‐Zentrum für wissenschaftliches Rechnen, Simulation und Modellierung (G‐CSC)

in das Projekt eingebunden. Sie fungieren als Berater und Input‐Geber und sind ein wichtiger Baustein bei der Implementierung der Projektergebnisse in die bei den Unternehmen eingesetzten Simulationsverfahren.

Die Laufzeit des Projektes ist festgelegt auf 24 Monate.

Motivation und Ziele

Neue und optimierte virtuelle Entwicklungsmethoden sind zur Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit der Automobilindustrie und zur effizienten Ableitung neuer Strukturkonzepte für den Leichtbau – speziell für Hybrid- und Elektrofahrzeuge aufgrund der veränderten neuen Anforderungen – notwendig. Besonders numerische Optimierungsverfahren sind hier erforderlich und bereits teilweise in den Fahrzeugentwicklungsprozess (FEP) integriert. Jedoch existiert derzeit keine industriell einsetzbare Methodik zur Topologieoptimierung für nichtlineare Fragestellungen und insbesondere für den Crash. Unter Topologie wird hierbei die geometrische Beschreibung der Lage und Anordnung von Strukturelementen, also das konzeptionelle Layout verstanden. Es ist daher bislang auch nicht möglich, auf effiziente, automatisierte Weise neue Strukturtopologien abzuleiten. Deswegen soll hier ein mehrstufiges Optimierungsverfahren entwickelt und am Beispiel von Strangpressprofilen validiert werden. Eine Voroptimierung der Topologie auf Basis zweier jüngst in der Forschungsliteratur veröffentlichter Ansätze soll evaluiert und auf die Belange der Automobilindustrie umgesetzt werden. Daran angeschlossen wird eine graphenbasierte Methodik, die in der Luft- und Raumfahrt bereits viel versprechend eingesetzt wurde. Diese ermöglicht ein hocheffizientes Bewerten der Vielzahl an Topologievarianten. Gekoppelt wird diese dann an eine abschließende Formoptimierung, die notwendig ist, um die Feinabstimmung der Geometrie auf die Belastungen durchzuführen. Das gesamte Konzept ist modular, kann also je nach Ressourcensituation in seiner Gesamtheit oder nur in Teilkombinationen eingesetzt werden.

Um der hohen Komplexität heutiger Fahrzeugentwicklungen zu entsprechen, werden hier sowohl Fertigungsrestriktionen, Fügetechniken und Materialcharakteristiken berücksichtigt als auch die Vielzahl der Lastfälle aufgrund der verschiedenen funktionellen Anforderungen an die Karosseriestruktur. Dies wird im Projekt durch industrielle Validierungen gewährleistet. Der hier vorgeschlagene neue Ansatz eröffnet, nicht allein wegen seiner Modularität und Anpassungsfähigkeit an andere Fragestellungen über den Expertenkatalog, ein weites Feld zukünftiger Entwicklungen und Anwendungen. Mittels der hier vorgeschlagenen Entwicklungen kann diesbezüglich ein deutlicher Fortschritt erreicht werden. Da die Strukturauslegung durch Crashanforderungen dominiert ist, wird die hier erstmalig vorgeschlagene Methodik für die automatisierte Ermittlung von Strukturgeometrien (Topologien)eine deutliche Verbesserung betreffs Leichtbau und Effizienz darstellen.