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Topologieoptimierung

Mit der Topologieoptimierung wird ausgehend von einem maximal zur Verfügung stehenden Bauraum nach einem Designvorschlag gesucht. Die sich ergebende Grundgeometrie hängt von den äusseren Lasten und den Randbedingungen ab. Im Gegensatz zur Formoptimierung wird nicht nur die Geometrie an der Oberfläche verändert, sondern im ganzen Bauraum. Bei diesem Verfahren können daher auch Löcher bzw. Hohlräume in der Struktur entstehen, wodurch sich die ganze Topologie verändert. Daher auch die Namensgebung für diese Art der Optimierung. Das Verfahren zählt zu den netzgebundenen und parameterfreien Optimierungsalgorithmen.

Die Idee hinter der Topologieoptimierung ist denkbar einfach, sie orientiert sich primär am Verhalten eines Knochens. Die Bereiche, die weniger stark belastet sind, werden erweicht und schliesslich ganz entfernt. In der Umsetzung wird dazu der ganze Bauraum vernetzt und mit den äusseren Lasten beaufschlagt. Für die Elemente, die nur einen geringen Traganteil haben, werden die Dichte und der Elastizitätsmodul reduziert. Der Optimierungsvorgang läuft iterativ, bis am Schluss nur noch die Elemente übrigbleiben, die hinsichtlich ihrer Festigkeit eine sehr hohe Auslastung haben.

Durch die Definition von fest vorgegebenen, nicht veränderbaren Bereichen lässt sich die Topologieoptimierung an geometrische Restriktionen anpassen. Etwas komplizierter, aber ebenso möglich, ist die Integration einer bevorzugten Entformungsrichtung, um etwa fertigungstechnische Anforderungen bereits in der Ideenfindung mit einfliessen zu lassen.

Die Herausforderung der Methode liegt in der richtigen Interpretation der gefundenen Designvorschläge. Zum einen ist das Resultat stark von den äusseren Lasten abhängig und damit auf Störungen anfällig. Es muss daher darauf geachtet werden, dass die Belastungen für die Designfindung das spätere Lastkollektiv sehr gut repräsentieren. Zum anderen ergibt sich immer eine mehr oder weniger stark zerklüftete Geometrie, die anschiessend in ein geglättetes und repräsentatives CAD-Modell rückgeführt werden muss.

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