Ermittlung der Streuung und Validierung probabilistischer Analysen topologisch optimierter, additiv gefertigter Titan-Strukturen

Abbildung: Eine getestete Balkenstruktur nach dem 3-Punkt-Biegeversuch (oben) und Finite-Elemente-Simulation mit Spannungsverteilung (unten) Photo: TUHH/Kriegesmann

Die Eigenschaften additiv gefertigter Strukturen unterliegen im besonderen Maße Streuungen. Die Streuungen von Materialparametern, Geometrie und Eigenspannungen werden in der Bemessung solcher Strukturen in der Praxis über Abminderungsfaktoren berücksichtigt. Alternativ lässt sich der Einfluss streuender Effekte mit probabilistischen Methoden abdecken, was einen weniger konservativen Entwurf erlaubt. Durch Einbettung probabilistischer Methoden in die Entwurfsoptimierung additiv gefertigter Strukturen lassen sich Entwürfe ermitteln, die wenig sensitiv gegenüber streuender Größen sind. Dies erfordert ein validiertes, deterministisches Modell (z.B. Finite-Elemente-Modell) sowie eine validierte, probabilistische Methode, die im Zusammenspiel nachweislich in der Lage sind die Streuung der Strukturantwort (Gesamtsteifigkeit und -festigkeit) vorherzusagen.

Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass sich die Streuung der Steifigkeit und Festigkeit einer additiv gefertigten Struktur mit probabilistischen Methoden vorhersagen lässt. Dafür wurde eine Vielzahl von Proben einer topologisch optimierten Struktur gefertigt, vermessen, getestet und analysiert. Die streuenden Eigenschaften wie Geometrie und Materialparameter wurden in der Simulation als streuend modelliert und so die stochastische Verteilung der Traglast auch simulativ bestimmt. Auch wenn die experimentell und simulativ bestimmten Verteilungen qualitativ übereinstimmen haben sich eine Reihe offener Fragen ergeben, die in Folgeprojekten bearbeitet werden sollen.