Masterarbeit (laufend)

Saad Al Kasem

Implementierung und Anwendung eines spannungsbasierten, dreidimensionalen Topologieoptimierungsalgorithmus für anisotrope Materialien

Die Topologieoptimierung stellt ein leistungsfähiges Werkzeug zur Entwicklung materialeffizienter Tragstrukturen dar. Insbesondere durch die zunehmende Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechenressourcen gewinnt die numerische Struktur- und Topologieoptimierung in Forschung und industrieller Praxis stetig an Bedeutung. Während zahlreiche bestehende Optimierungsverfahren isotropes Materialverhalten voraussetzen, weisen viele moderne Werkstoffe, insbesondere Faserverbundwerkstoffe, ausgeprägte anisotrope Eigenschaften auf.
Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung und Erweiterung eines spannungsbasierten Topologieoptimierungsalgorithmus in MATLAB zur Berücksichtigung anisotroper Materialeigenschaften. Als Grundlage dient der von Deng et al. entwickelte StressTopOpt-Code, der auf dem SIMP-Ansatz, der Finite-Elemente-Methode sowie dem MMA-Optimierungsverfahren basiert. Der bestehende Algorithmus wird analysiert, dokumentiert und schrittweise für transversalisotrope Materialmodelle erweitert.
Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss verschiedener Optimierungsparameter beschrieben und die Auswirkungen dieser Parameter auf das Materiallayout, die Spannungsverteilung und das Konvergenzverhalten werden anhand ausgewählter zweidimensionaler und dreidimensionaler Beispielprobleme untersucht. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Optimierungsergebnisse für isotrope und anisotrope Materialien, um den Einfluss richtungsabhängiger Materialeigenschaften auf die optimale Strukturgestaltung zu bewerten.