Entwurf von thermisch und mechanisch belasteten Bauteilen durch Lasttrennung

Zusammenfassung

Die additive Fertigung erlaubt die Produktion von Freiformflächen. Diese ermöglichen es durch die geringen Fertigungsrestriktionen Strukturen zu erzeugen, die beispielsweise Verbrennungsprozesse optimaler zu führen und Strukturen Belastungsgerecht zu herzustellen. Ein Schlüsselwerkzeug in diesem Prozess ist die Topologieoptimierung. Diese Arbeit stellt Ansätze und Methoden vor, um Strukturen zu gestalten, die multiphysikalischen Belastungen trotzen. Die Kombination von Belastungsarten, wie hohem Wärmeeintrag und Drücken ist besonders herausfordernd. Für die Materialverteilung unter mechanischen Lasten wie Druck oder Kräften gibt es sehr gute Methoden eine geeignete Materialverteilung zu finden. Für die Spannungen durch Wärmeströme gibt es auch Ansätze. Allerdings beherrschen sie nicht die Fähigkeit Wärmesenken zu verschieben, um damit die Spannungen abzubauen. Auch fehlt eine Kombination für die Optimierung unter mechanischen Lasten. Im folgenden Text wird eine Methodik vorgestellt, mit der man Bauteile unter thermischen und mechanischen Belastungen effektiv gestaltet kann. Zudem werden geeignete Strategien vorgestellt, um den verschiedenen Belastungen entgegenzuwirken. Dabei berücksichtigen die Strategien Wärmesenken und sind in der Lage, diese an einen möglichst optimalen Bereich zu verschieben. Für die Umsetzung werden Beanspruchungen des Bauteils nach der Belastungsart getrennt. Die Strategien werden in eine Methodik integriert, welche es ermöglicht, die geeignete Strategie auszuwählen und umzusetzen. Aus der Methodik wird eine Methode abgeleitet, um ein Bauteil unter den bestehenden Lasten funktionsfähig zu gestalten. Die Methode wird an einem Kolben für Verbrennungsmotoren angewendet. Die Methode ermöglicht es, sowohl ungewollte Beanspruchungen, wie die ungleichmäßige Ausdehnung unterWärmeströmen, zu senken, als auch die mechanische Beanspruchung gleichmäßiger zu verteilen und sinnvoll zu erhöhen, sodass weniger Material benötigt wird. Der Kolben wurde im Rahmen der Arbeit fertig entwickelt und in einen Versuchsverbrennungsmotor eingesetzt und getestet. Er widerstand den gegebenen Lasten.