Was versteht man unter Topologieoptimierung?

Die Topologieoptimierung mechanischer Strukturen hat das Ziel, unter Vorgabe von Ziel- und Restriktionsfunktionen eine optimierte Lage und Anordnung der Strukturelemente zu ermitteln. Eine dabei populäre Aufgabenstellung ist die Minimierung der mittleren Nachgiebigkeit »Zielfunktion« bei gleichzeitiger Reduktion des Volumens »Restriktionsfunktion«. Um das Optimierungsziel zu erreichen, werden iterativ die Form sowie die Topologie der Struktur zielgerichtet durch einen Optimierungsalgorithmus verändert. 

Im unten gezeigten Bild ist als Beispiel für eine solche Optimierung das Resultat der Gewichtsoptimierung eines Kragträgers gezeigt.

Ein gewichtsoptimierter Kragträger

Ein optimierter Kragträger
Minimierung der mittleren Nachgiebigkeit eines belasteten Kragträgers bei gleichzeitiger Reduktion des Volumens um 85 % (bezogen auf eine Ausführung aus Vollmaterial).

Woran forschen wir?

Das Hauptaugenmerk unserer Forschungsarbeit liegt in der Integration von Fertigungsrestriktionen in die Verfahren der Topologieoptimierung.

Werden bei Topologieoptimierungen die zur Verfügung stehenden Fertigungsverfahren und die damit spezifischen »Fertigungsrestriktionen« nicht berücksichtigt, ist die Herstellbarkeit der optimierten Strukturen nicht gewährleistet. Zur Herstellung müssten dann abhängig vom Fertigungsverfahren verschiedene konstruktive Änderungen vorgenommen werden, die jedoch die zuvor verbesserten mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen würden. Um diesem Problem entgegenzuwirken, ist die direkte Integration von Fertigungsrestriktionen in die Topologieoptimierung seit Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten.

Forschungsschwerpunkte:

  • Ein aktuell laufendes Forschungsprojekt befasst sich mit der Integration der Fertigungsrestriktionen von 3-Achs-Fräsverfahren in die Topologieoptimierung mit der Level-Set-Methode
  • Integration der Fertigungsrestriktionen von 5-Achs-Fräsverfahren in die Verfahren der Topologieoptimierung
  • Integration der Fertigungsrestriktionen von additiven Fertigungsverfahren in die Verfahren der Topologieoptimierung
  • Beschleunigung der numerischen Analyse durch die Nutzung neuronaler Netze 

Sie haben Interesse an einer Abschlussarbeit?

Aktuell werden folgende Arbeiten im Rahmen von Bachelor- und Masterarbeiten durchgeführt:

  • Entwicklung von Python-Programmen zur Topologieoptimierung von 3D-Strukturen mithilfe der SIMP- und der Level-Set-Methode auf strukturierten Netzen

Offene Themen zu Bachelor- oder Masterarbeiten sind immer vorhanden, melden Sie sich gerne bei uns. Eine direkte Auswahl offener Arbeiten finden Sie in der rechten Infobox.