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A. Ruthmeier:
"Structural Opimization of Reinforced Shell Structures";
Betreuer/in(nen): H. J. Böhm; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2015; Abschlussprüfung: 30.10.2015.

Die vorliegende Arbeit untersucht das Thema Strukturoptimierung unter Verwendung der kommerziellen Software OptiStruct. Das Ziel ist die Gewichtsoptimierung der Schalenstruktur eines U-Bahn Wagenkastens, welche für die Einhaltung maximaler Achslasten und zum Erreichen von Energieeinsparungen im Betrieb essentiell ist.

Zu Beginn werden die Unterschiede der Topologie und Free-size Optimierung ausgearbeitet. Außerdem erfolgt eine detaillierte Untersuchung der globalen Spannungsrestriktion, welche in OptiStruct verfügbar ist. Die Kontrolle lokaler Kerbspannungs ist nicht hinreichend.

Die Hauptaufgabe der Arbeit liegt in der Untersuchung, inwiefern sich die (Nicht-)Berücksichtigung einer tragenden Außenschale auf das Ergebnis auswirkt. Die Optimierung erfolgt für neun Lastfälle aus der DIN EN 12663-1. Der Bauraum wird mit dreidimensionalen Kontinuumselementen vernetzt, die später an bestimmten Oberflächen mit Schalenelementen überlagert werden. Die Eignung des Modells für die vorliegende Aufgabe wird anhand einer Konvergenzstudie überprüft und geeignete Optimierungsparameter werden bestimmt. Für das rein dreidimensionale Netz wird eine Topologieoptimierung unter der Verwendung des SIMP Ansatzes durchgeführt. Das mit Schalen überzogene Modell wird hingegen einer kombinierten (Topologie und Free-size) Optimierung unterzogen. Zudem wird ein Script in den Optimierungsprozess eingebunden, welches die Randbedingungen in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Masse zwischen den Iterationen anpasst. Der Effekt einer ungleichen Bewertung von Elementsteifigkeiten zwischen den beiden Optimierungsansätzen, verursacht durch die Bestrafung von Zwischendichten in SIMP, wird durch die Vorgabe von geringen maximalen Schalendicken in Grenzen gehalten.

Das Modell ohne Außenschale liefert eine Fachwerkstruktur mit einer Gewichtseinsparung von 7,36% im Vergleich zu einem Referenzmodell. Wird die Außenschale mitberücksichtigt, ergibt sich eine Gewichtseinsparung von 31,78%. Gleichzeitig zeigen sich verbesserte Steifigkeitseigenschaften (Compliance-Werte) im Bereich von 9,53% bis 33,37%, abhängig vom Lastfall. Ein Großteil der optimierten Struktur besteht aus versteiften Schalen. Die Anordnung der Streben ist für beide Modelle verschieden, was zu dem Schluss führt, dass die Mitberücksichtigung der Außenschale während der Optimierung essentiell ist.

Aufbauend auf den Ergebnissen ist die Umlegung der Optimierungsergebnisse in eine zweischalige Aluminiumstruktur mit großflächigen Ausfräsungen und einer nachgeschalteten Parameteroptimierung realisierbar. Durch geeignete Wahl der Profilquerschnitte soll der Großteil der erzielten Gewichtsreduktion erhalten bleiben. Dies würde einen großen Erfolg der entwickelten Vorgehensweise zur Strukturoptimierung von Schienenfahrzeugwagenkästen bedeuten.

This thesis investigates numerical structural optimization utilizing the commercial code OptiStruct. The objective is to reduce the mass of a metro raw car body shell, which is crucial for satisfying maximum axle loads and realizing energy savings in operation.

First, the differences of topology and free-size optimization are examined. Next, the global stress constraint available in OptiStruct is looked at in-depth. It is found that the control of local notch effects is not sufficient.

In the main task, the effects on the results when considering or neglecting a load-bearing outer sheet are examined closely for a combination of nine important load cases of DIN EN 12663-1. Therefore, the installation space is meshed with three-dimensional continuum elements which are later overlaid with shell elements on selected surfaces. The suitability of the model is verified through a convergence study and reasonable optimization parameters are determined. A topology optimization using the SIMP approach and a combined (topology and free-size) optimization are then carried out for the former and latter mesh, respectively. Furthermore, a script is introduced to update the boundary conditions with respect to the current mass in between the iterations. The disequilibrium of the weighting of element stiffnesses between the two optimization types, caused by the penalization used in SIMP, is reduced by defining low upper bounds on the shell thicknesses.

The outcome when neglecting a load-bearing outer sheet is a framework structure with a weight reduction of 7.36% compared to a reference carriage. Including a load-bearing outer sheet, however, yields a weight reduction of 31.78%. Concurrently, stiffness properties (compliances) are improved between 9.53% and 33.37% depending on the load case. A major part of the structure is formed as braced panels. The arrangement of the girders is different for the two approaches, thus it can be claimed that the consideration of the outer sheet during the optimization is essential.

Future prospects include the translation of the results into a double wall aluminum structure with extensive milling grooves and a downstream parameter optimization. By choosing the cross sections of the extruded profiles in a smart way, the major part of the weight saving is to be preserved, which would mark a great success of the established optimization approach for railcar bodies.