Physikalisch begründete Ersatzmodelle für die Crashoptimierung von Karosseriestrukturen in frühen Projektphasen

Der wirtschaftliche Erfolg korreliert in der Automobilindustrie mit der Fähigkeit der Unternehmen, sich rechtzeitig mit innovativen und kundenorientierten Produkten am Markt zu positionieren. Die Fahrzeuge müssen hierbei nicht nur höchsten Qualitätsansprüchen genügen, sondern darüber hinaus fahrdynamisch überzeugen. Ungeachtet der geforderten Fahrleistungen erwarten die Kunden ein verbrauchsgünstiges und sicheres Fahrzeug. Um dies gewährleisten zu können, ist es unabdingbar, die Fahrzeugmasse möglichst gering zu halten und die Deformationseigenschaften der Fahrzeuge ideal an mögliche Unfallsituationen anzupassen.Diesem Spannungsfeld begegnet die Automobilindustrie durch den verstärkten Einsatz von Optimierungsverfahren. In der Karosserieentwicklung haben in diesem Zusammenhang parameterbasierte Optimierungsverfahren in den vergangenen Jahren einen immer größeren Beitrag geleistet, die funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Im Fokus der Betrachtungen stand hierbei die Minimierung des Karosseriegewichts durch Optimierung der Wandstärken und Materialgüten im Zuge der Serienentwicklung. In der frühen Phase der Karosserieentwicklung kommen bislang dagegen kaum Optimierungsverfahren zum Einsatz. In dieser Dissertation wird deshalb eine zweistufige Optimierungsmethode für die Auslegung von Karosseriestrukturen für Crashlastfälle vorgestellt, welche zum einen eine Topologieoptimierung und zum anderen eine parameterbasierte Formoptimierung von Karosserien ermöglicht.Im ersten Schritt wird hierzu eine Topologieoptimierung mit linearem FE-Solver für Crashlastfälle erarbeitet. Inwieweit die bei der Modellbildung vorgenommenen Vereinfachungen zulässig sind, wird anschließend an einer praxisnahen Optimierungsaufgabe einer Heckstruktur überprüft. Auf Grund der deutlichen Verbesserung der funktionalen Eigenschaften, mit dem diese Optimierungsaufgabe abgeschlossen wird, stellt sich die Frage, ob es sich hierbei um einen zufälligen oder reproduzierbaren Effekt handelt. Um diese Frage beantworten zu können, wird die ursprünglich dreidimensionale Optimierungsaufgabe in eine zweidimensionale Aufgabenstellung überführt. Diese Anpassung ermöglicht nach der Topologieoptimierung mit einem linearen FE-Solver die Kontrolle des Ergebnisses mit einer parameterbasierten Formoptimierung mit nichtlinearen FE-Solver.Dieses parameterbasierte Formoptimierungsverfahren wird im Folgenden weiterentwickelt, um in der frühen Phase der Karosserieentwicklung, die funktionale Auslegung von Längsträgerstrukturen in Blech-Schalen-Bauweise durchführen zu können. Die Potenziale die sich mit diesem Optimierungsverfahren für die Karosserieauslegung eröffnen, werden am Beispiel eines Motorträgers untersucht.Abschließend wird die erarbeitete Topologie- und Formoptimierung an einem komplexen Beispiel eines Frontcrashs untersucht. Dieses Beispiel dient zum einen der erneuten Kontrolle der Topologieoptimierung mit linearem FE-Solver sowie zum anderen der Kontrolle der parameterbasierten Formoptimierung auf ihre Praxistauglichkeit bei anspruchsvollen Optimierungsaufgaben. Bei der angestrebten Vorderwagenoptimierung stehen die einzelnen Designvariablen in komplexer geometrischer Wechselwirkung.Im letzten Kapitel dieser Forschungsarbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf weitere Handlungsbedarfe bei der funktionalen Auslegung von Karosseriestrukturen gegeben.