Optimale Auslegung von Luftfahrtstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen mit krummlinig verlaufenden Faserorientierungen

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Erstellung eines Optimierungsprogramms zur automatischen Auslegung idealer Faserverläufe. Anhand eines Beispiels wird die Funktionalität des Tools nachgewiesen und das Potential krummliniger Faserverläufe zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften aufgezeigt. Im Beispiel wird der Index des Festigkeitskriteriums von Tsai-Wu gegenüber einer konventionellen Auslegung um bis zu 87 Prozent gesenkt. Die Modellierung der Faserverläufe erfolgt durch individuelle Winkel in allen finiten Elementen. Mittelpunkt des Programms ist eine Funktion, die mittels einer Bezier-Fläche aus wenigen Variablen eine deutlich größere Anzahl Winkel generiert. Um die Prozessierbarkeit einzubeziehen, wird die Faserkrümmung als Restriktion betrachtet.

Aim of the study is the creation of an optimisation tool that automatically designs ideal fibre paths. The functionality and the potentials of curvilinear fiber paths are demonstrated by an example calculation, in which the index of the Tsai–Wu failure criterion is decreased by 87 per cent referring to a conventional lay-up. The fibre paths are modelled with individual angles for each finite element. Centre point of the tool is a function that generates many different angles by few variables. The processiblity is taken into account by a curvature restriction.