Multikriterielle regelbasierte Optimierung dickwandiger faserverstärkter gewickelter Hochdruckbehälter

• Antragsteller: Dr.-Ing. Lars Ulke-Winter
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468948939

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht in der verbesserten Beschreibung von dickwandigen fadengewickelten Leichtbaustrukturen durch Berücksichtigung des 3D-Beanspruchungszustandes der textilen Verstärkungsstruktur, wobei insbesondere die Werkstoff-Prozess-Struktur-Wechselwirkungen abgebildet werden. Die Beschreibung dieser Zusammenhänge erfolgt auf Basis eines Machine-Learning Ansatzes (GEP-FC Gene Expression Programming with Free Coefficients), der es erlaubt, gleichzeitig symbolische und numerische Regressionsanalysen durchzuführen. Auf Grundlage dieser erweiterten Modelle werden Regelsätze abgeleitet und in eine effiziente ganzheitliche Optimierungsstrategie implementiert.Ein wichtiger Schwerpunkt zur Erweiterung bestehender Modellierungsmethoden liegt in der exakten Darstellung des Wickelprozesses unter Berücksichtigung relevanter technologischer und werkstofflicher Zusammenhänge der Faserkunststoffstruktur, u.a. hervorgerufen durch lokale Änderungen von Einzelschichtparametern (Dicken, Orientierungen, richtungsabhängige Steifig- und Festigkeiten), um das strukturmechanische Verhalten von fadengewickelten Hochdruckbehältern im Hinblick auf eine verbesserte Versagensvorhersage genauer abbilden zu können. Die so abgeleiteten Modelle beschreiben zwar das Strukturverhalten hinreichend genau, sind jedoch für eine direkte Strukturoptimierung, vor allem aufgrund der zu erwartenden nicht konvexen Zielfunktion, die auch eine Festigkeitsbewertung verschiedener Versagensmodi abdeckt, zu ineffizient. Für eine Strukturoptimierung sind daher entsprechende Modellreduktionen vorzunehmen sowie grundlegende Regelsätze abzuleiten, auf dessen Basis eine Optimierung der textilen Verstärkungsstruktur hinsichtlich verschiedener Zielvorgaben (Massenreduktion, Fertigungsvorgaben, Ressourcen) des Hochdruckbehälters erfolgt. Mit Hilfe einer derartigen Auslegungsstrategie kann dann sowohl die enorme Variantenvielfalt beherrscht als auch die komplexen Abhängigkeiten der relevanten Kenngrößen berücksichtigt werden.Innerhalb des Vorhabens werden sowohl umfangreiche experimentelle Untersuchungen als auch numerische und analytische Simulationen sowie multikriterielle Optimierungen mittels stochastischen und deterministischen Verfahren durchgeführt. Neben einem besseren Verständnis der Beziehungen zwischen Werkstoff-, Prozess und Strukturkenngrößen fadengewickelter Faserkunststoffverbunde, leistet dieses Forschungsprojekt einen wesentlichen Beitrag zur durchgängigen effizienten Auslegung endlosfaserverstärkter Hochleistungsbauteile. Dabei werden grundlegende Wechselwirkungen etwa zur sicheren Hochdruckspeicherung von Wasserstoff erforscht, dessen Erkenntnisse in weiterführenden industriellen Anwendungen umgesetzt werden können. Ferner können die erarbeiteten Modellierungs- und Optimierungsmethoden sowohl auf artverwandte Herstellungsprozesse appliziert werden, als auch Impulse in angrenzende Forschungsfelder des Leichtbaus, der Simulation und Produktionstechnik liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen