Layout-Topologieoptimierung von unkonventionell versteiften FVK-Strukturen unter Berücksichtigung von Herstellbarkeitskriterien

Abstract

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) haben Aluminium in modernen Verkehrsflugzeugen weitgehend ersetzt, doch die traditionelle Stringer-Spant-Bauweise schöpft das Leichtbaupotenzial nicht aus. Der Einsatz einer Topologieoptimierung zur lastpfadgerechten Positionierung der Rumpfversteifungen verspricht hohe Gewichtseinsparungen. Allerdings erschweren die resultierenden, unkonventionellen Anordnungen die Auswahl, Strukturauslegung und Fertigung geeigneter Versteifungslayouts erheblich. Da strukturmechanische Berechnungen rechenintensiv sind und Fertigbarkeit erst nachgelagert überprüft wird, scheitern unkonventionelle Konzepte meist an aufwändigen Iterationsschleifen. Im Projekt wurde eine integrierte, zweistufige Bewertungsmethode zur effizienten Identifizierung strukturell optimaler und fertigungsgerechter Versteifungslayouts entwickelt. Für die ersten Bewertungsebene wurde ein Algorithmus entwickelt, der Layouts gegen strukturmechanische Ausschlusskriterien abgleicht und ungeeignete Varianten automatisch aussortiert. Die Festlegung auf 45°- bzw. 30°/60°-Winkel vermeidet kritische Herstellungswinkel und komplexe Laminatsituationen in den Kreuzungsbereichen. Eine strategische Neuausrichtung in der zweiten Bewertungsebene ermöglicht die Ableitung präziser Geometrie-, Gewichts- und Kostendaten für beliebige Layouts anstatt ungenauer Parameterbereiche. Ein automatisierter Algorithmus leitet herstellbare Omega-Profile ab, die strukturelle Anforderungen maximieren. Statt statischer Designregeln wurden dynamische, parametrische Prozessgrenzenmodelle implementiert, die Fertigbarkeitsgrenzen direkt aus konfigurierbaren Systemparametern berechnen und systemagnostische Übertragbarkeit gewährleisten. Die entwickelten Prozessmodelle ermöglichten die systematische Formalisierung von AFP-Fertigungswissen und helfen somit, Verbesserungspotenzial bei Fertigungsanlagen aufzudecken. Prozessanalysen unterstrichen, dass Kostenoptimierung eine untergeordnete Rolle gegenüber Strukturintegrität spielt. Es wurde nachgewiesen, dass vereinfachte Simulationsmodelle zur Strukturberechnung die Rechenzeit im Vergleich zu detaillierten Modellen mit vielen Freiheitsgraden signifikant reduzieren können. Gleichzeitig zeigte sich, dass die vereinfachte Modellierung in bestimmten Lastfällen Abweichungen erzeugt, die für den Vorentwurf nicht akzeptabel sind. Besonders die große Vielfalt möglicher Versteifungstopologien und -profile gestaltete die Entwicklung eines universell anwendbaren Ansatzes zur reduzierten Modellierung anspruchsvoll. Daraus ergibt sich ein klarer Bedarf für weiterführende Forschung, um robuste Methoden für die zuverlässige und zugleich effiziente Auslegung komplexer Versteifungsstrukturen zu entwickeln. Die im Rahmen des Projektes vorgestellten Ergebnisse haben das Verständnis zur Bewertung von unkonventionell versteiften Strukturen im frühen Vorentwurf signifikant erweitert und ermöglichen es, Layouts fundiert hinsichtlich Masse, Herstellkosten und Herstellbarkeit zu bewerten. Carbon-fibre-reinforced plastics (CFRP) have largely replaced aluminum in modern commercial aircraft, yet the traditional stringer-frame construction does not fully exploit the lightweight potential. The use of topology optimization for loadpath-oriented positioning of fuselage stiffeners promises high weight savings. However, the resulting unconventional arrangements significantly complicate the selection, structural design, and manufacturing of suitable stiffener layouts. Since structural mechanical calculations are computationally intensive and manufacturability is only verified downstream, unconventional concepts typically fail due to elaborate iterative loops. The project developed an integrated, two-stage evaluation method for efficiently identifying structurally optimal and manufacturable stiffener layouts. For the first evaluation level, an algorithm was developed that compares layouts against structural mechanical exclusion criteria and automatically eliminates unsuitable variants. The definition of 45° and 30°/60° angles avoids critical manufacturing angles and complex laminate situations in intersection areas. A strategic reorientation in the second evaluation level enables the derivation of precise geometry, weight, and cost data for arbitrary layouts instead of imprecise parameter ranges. An automated algorithm derives manufacturable omega-profiles that maximize structural requirements. Instead of static design rules, dynamic, parametric process boundary models were implemented that calculate manufacturability limits directly from configurable system parameters and ensure systemagnostic transferability. The developed process models enabled the systematic formalization of AFP manufacturing knowledge and thus help to identify potential for improvement in manufacturing equipment and process. Process analyses emphasized that cost optimization plays a subordinate role compared to structural integrity. It was demonstrated that simplified simulation models for structural calculation can significantly reduce computing time compared to detailed models with many degrees of freedom. Simultaneously, it was shown that simplified modeling generates deviations in certain load cases that are not acceptable for preliminary design. Particularly the large variety of possible stiffener topologies and profiles made the development of a universally applicable approach for reduced modeling challenging. This results in a clear need for further research to develop robust methods for reliable and simultaneously efficient modeling of complex stiffener structures. The results presented within the project have significantly expanded the understanding for evaluating unconventionally stiffened structures in early preliminary design and enable layouts to be assessed soundly regarding mass, manufacturing costs, and manufacturability.