Algorithmusbasierte Konzeptauswahl in der Integrierten Entwicklung produktionsgerechter Leichtbaustrukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund
von Joscha KrieglsteinerFaser-Kunststoff-Verbunde zeichnen sich durch ihr hohes Leichtbaupotential aus, ihr Einsatz erfordert in der Strukturentwicklung allerdings tiefergehendes Verständnis des Konstruktionsmaterials und der Fertigungsprozesse. Speziell in der Interaktion von Struktur und Produktion finden sich verschiedene Herausforderungen. Häufiger Gegenstand von Forschungsarbeiten sind Abhängigkeiten im lokalen Detail, z. B. die Einflüsse von Prozessparametern und Fertigungsfehlern auf Materialeigenschaften. Weitere Interaktion liegt in globalen Zusammenhängen: Gewählte Prozessketten schränken den Gestaltungsraum des Entwicklers ein und bestimmen sowohl mechanische Eigenschaften des Produktes als auch die Kostenstruktur der Produktion. Die Entwicklung mit dem Ziel produktionsgerechter Leichtbaustrukturen muss diese Zusammenhänge in den Fokus nehmen.
Ein Ansatz zur Integrierten Entwicklung wird beschrieben, mit dem Produktionsaspekte frühzeitig einbezogen werden können. Es wird dafür ein Vorgehen definiert, das von Beginn an mit interdisziplinären Konzepten arbeitet, die im Weiteren schrittweise ausgelegt werden und von denen sich jeweils nur die vielversprechendsten für den nächsten Schritt qualifizieren. Die ersten Schritte in diesem Vorgehen sind von fundamentaler Wichtigkeit, weshalb auf ihnen der Fokus der durchgeführten Untersuchungen liegt. Als durchgängiges Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung einer versteiften Seitenschale eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Konzepterzeugung verfolgt einen systematischen Ansatz. Ein Morphologischer Kasten ist nach Konzeptmerkmalen aus den Bereichen Struktur und Produktion gegliedert und beinhaltet für diese jeweils unterschiedliche Ausprägungen als alternative Teillösungen. Konsequenz der interdisziplinären Betrachtung in der Konzepterzeugung ist ein erheblich vergrößerter Lösungsraum.
Für die Konzeptbewertung werden Analyse- und Optimierungsmethoden untersucht. Eine Kombination der Auslegung mit Optimalitätskriterien und lokalen Optimierungen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Auslegungsgüte und Berechnungsaufwand, der es erlaubt, die vollständige Lösungsmenge in den Attributen Produktionskosten und Strukturmasse zu bewerten. Es wird diesbezüglich die Ausdehnung der Lösungsmenge, die ausgebildete Pareto-Front und der Einfluss der alternativen Teillösungen der einzelnen Konzeptmerkmale betrachtet. Die Ergebnisse werden mit denen einer Rumpfunterschale mit geänderter Lastsituation verglichen. Die Bestimmung der Auslegungsgüte erfolgt durch den Vergleich mit einer höherwertigen aber auch aufwändigen Referenzmethode und definiert den Vertrauensbereichs der durchgeführten Bewertung. Der Vertrauensbereich wird genutzt, um die Lösungsmenge auf diejenigen Konzepte zu reduzieren, die in späteren Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden sollen.
Zur Konzeptauswahl werden unterschiedliche Optimierungsverfahren in der Anwendung auf der bewerteten Lösungsmenge verglichen. Als Optimierungsproblem ist die Kombination von Teillösungen aus dem Morphologischen Kasten aufbereitet. Die betrachteten Optimierungsverfahren sind ein Evolutionärer Algorithmus, das Simulated Annealing und das Branch and Bound. Zu jedem Verfahren wird ein Algorithmus mit Parametern konfiguriert, deren Abstimmung umfangreich untersucht ist. Letztlich wird aufgezeigt, welches Verfahren am leistungsfähigsten ist, zum einen bei der schnellen Suche des bestbewerteten Konzeptes und zum anderen beim Finden der Lösungsmenge, die in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden soll.
Die vorgestellten Methoden geben dem Entwickler die Möglichkeit, systematisch, automatisiert und mit geringem Berechnungsaufwand in einer frühen Phase der Entwicklung die aussichtsreichsten Konzepte zu bestimmen, sodass er seine weiteren Arbeiten auf diese konzentrieren kann. Durch den systematischen Ansatz in der Konzepterzeugung sind hierbei auch Konzepte berücksichtigt, die andernfalls ggfs. unentdeckt blieben. Die Konzeptauswahl reduziert den Aufwand für den nächsten Entwicklungsschritt um über eine Größenordnung.
Ein Ansatz zur Integrierten Entwicklung wird beschrieben, mit dem Produktionsaspekte frühzeitig einbezogen werden können. Es wird dafür ein Vorgehen definiert, das von Beginn an mit interdisziplinären Konzepten arbeitet, die im Weiteren schrittweise ausgelegt werden und von denen sich jeweils nur die vielversprechendsten für den nächsten Schritt qualifizieren. Die ersten Schritte in diesem Vorgehen sind von fundamentaler Wichtigkeit, weshalb auf ihnen der Fokus der durchgeführten Untersuchungen liegt. Als durchgängiges Anwendungsbeispiel dient die Entwicklung einer versteiften Seitenschale eines Flugzeugrumpfes aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.
Die Konzepterzeugung verfolgt einen systematischen Ansatz. Ein Morphologischer Kasten ist nach Konzeptmerkmalen aus den Bereichen Struktur und Produktion gegliedert und beinhaltet für diese jeweils unterschiedliche Ausprägungen als alternative Teillösungen. Konsequenz der interdisziplinären Betrachtung in der Konzepterzeugung ist ein erheblich vergrößerter Lösungsraum.
Für die Konzeptbewertung werden Analyse- und Optimierungsmethoden untersucht. Eine Kombination der Auslegung mit Optimalitätskriterien und lokalen Optimierungen ermöglicht einen Kompromiss zwischen Auslegungsgüte und Berechnungsaufwand, der es erlaubt, die vollständige Lösungsmenge in den Attributen Produktionskosten und Strukturmasse zu bewerten. Es wird diesbezüglich die Ausdehnung der Lösungsmenge, die ausgebildete Pareto-Front und der Einfluss der alternativen Teillösungen der einzelnen Konzeptmerkmale betrachtet. Die Ergebnisse werden mit denen einer Rumpfunterschale mit geänderter Lastsituation verglichen. Die Bestimmung der Auslegungsgüte erfolgt durch den Vergleich mit einer höherwertigen aber auch aufwändigen Referenzmethode und definiert den Vertrauensbereichs der durchgeführten Bewertung. Der Vertrauensbereich wird genutzt, um die Lösungsmenge auf diejenigen Konzepte zu reduzieren, die in späteren Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden sollen.
Zur Konzeptauswahl werden unterschiedliche Optimierungsverfahren in der Anwendung auf der bewerteten Lösungsmenge verglichen. Als Optimierungsproblem ist die Kombination von Teillösungen aus dem Morphologischen Kasten aufbereitet. Die betrachteten Optimierungsverfahren sind ein Evolutionärer Algorithmus, das Simulated Annealing und das Branch and Bound. Zu jedem Verfahren wird ein Algorithmus mit Parametern konfiguriert, deren Abstimmung umfangreich untersucht ist. Letztlich wird aufgezeigt, welches Verfahren am leistungsfähigsten ist, zum einen bei der schnellen Suche des bestbewerteten Konzeptes und zum anderen beim Finden der Lösungsmenge, die in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiterbetrachtet werden soll.
Die vorgestellten Methoden geben dem Entwickler die Möglichkeit, systematisch, automatisiert und mit geringem Berechnungsaufwand in einer frühen Phase der Entwicklung die aussichtsreichsten Konzepte zu bestimmen, sodass er seine weiteren Arbeiten auf diese konzentrieren kann. Durch den systematischen Ansatz in der Konzepterzeugung sind hierbei auch Konzepte berücksichtigt, die andernfalls ggfs. unentdeckt blieben. Die Konzeptauswahl reduziert den Aufwand für den nächsten Entwicklungsschritt um über eine Größenordnung.