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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Technische und Numerische Mechanik

Topologieoptimierung von Mehrkörpersystemen

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Beschreibung

Entwicklungsprozess
Topologieoptimierung mechanischer Finite-Element-Strukturen
(siehe http://www.toptopt.dtu.dk)

Topologieoptimierung von Starrkörpermechanismen

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Der Entwicklungsprozess mechanischer Systeme beginnt in der Konzeptphase mit der Festlegung der prinzipiellen Bau- und Funktionsweise. Die resultierenden Entwürfe beruhen dabei auf Erfahrung, Intuition und Wissen. Methoden zur Systemoptimierung werden im allgemeinen erst in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase zur Auslegung von Entwurfsvariablen eine ausgwählten Entwurfs eingesetzt. Suboptimale Entwürfe in der Konzeptphase führen dabei trotz Optimierung auf suboptimales Systemverhalten. Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Entwurfsfreiheit und Systemwissen mit dem damit verbundenen Kosten- und Zeitaufwand stellt sich die Aufgabe, schon in der Konzeptphase Ansätze zur Generierung optimaler Entwürfe bereitzustellen.

Im Gegensatz zur Gestaltsoptimierung und Dimensionierung unterstützt die Topologieoptimierung den Entwicklungsprozess schon in der Konzeptphase und ist deshalb als Entwicklungswerkzeug zu verstehen. Sie versucht die auf Erfahrung, Intuition und Wissen basierende Synthese mechanischer Systeme mit Optimierungsansätzen zu erweitern. Ziel der Topologieoptimierung ist es, geeignete bzw. optimale Entwürfe zu generieren und somit das Systemwissen frühstmöglich zu erweitern.

Die Topologieoptimierung mechanischer Strukturen wurde in den letzten Jahren stark weiterentwickelt und ist mittlerweile Gegenstand industrieller Anwendung (FE Design, OptiStruct). Die Verfahren beruhen hierbei auf der Methode der Finiten Elemente wobei Material bezüglich einer Zielfunktion optimal angeordnet bzw. verteilt wird. Optimiert werden hier hauptsächlich strukturelle Eigenschaften mechanischer Systeme. Es existieren zwar Ansätze zur optimalen Synthese von Mechanismen, die makroskopischen Bewegungen beruhen aber auf Verformungen der Strukturen. Große nichtlineare Bewegungen lassen sich damit nicht beschreiben.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung verschiedener Ansätze zur Topologieoptimierung von Mehrkörpersystemen. In einem ersten Schritt sollen die Möglichkeiten der optimalen Synthese von Mechanismen untersucht werden. Ein Beispiel hierzu ist die Minimierung der Abweichung der Trajektorie eines Endeffektors von einer Solltrajektorie (Animation). Darauf aufbauend kann dann die Erweiterung dieser rein kinematischen Topologieoptimierung auf kinetische Aufgabenstellungen erfolgen.

Weitere Seiten zu diesem Thema

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Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Peter Eberhard