Untersuchungen zur Konstruktionsverbesserung mittels struktureller Topologieoptimierung im Vorschiffbereich
Dipl.-Ing. Ralf Tschullik, Prof. Dr.Eng. Patrick Kaeding, Universität Rostock
Schiffbauliche Strukturen folgen seit langem einer bewährten Entwurfsmethodik. Eingebettet in den globalen Schiffbaudesignprozess folgt die Stahlschiffdimensionierung dem Initial Design also Hydrostatik und Hydrodynamik. Die Optimierung aller Designparameter im Gesamtprozess findet nach wie vor hauptsächlich iterativ statt, vgl. EVAN´s Designspirale. Dies hat sich, auch im Hinblick auf eine große Anzahl konkurrierender Designziele, als Strategie bewährt. Auch die stetig wachsende Bedeutung direkter Berechnungsmethoden, sogenannter „First-Principle-Methoden“ fügt sich hier ein, ermöglicht aber weitere Entwurfsverbesserungen. Für die stahlschiffbauliche Struktur werden so neben anderen Zielen, wie Fertigungsgerechtheit, auch Leichtbaupotentiale ausgelotet. Der rechnergestützte Entwurf beinhaltet für die Stahldimensionierung aber noch ganz neue Möglichkeiten der Verbesserung. So werden seit längerem Optimierungsalgorithmen mit verschiedensten Zielfunktionen auch im Schiffbau eingesetzt. Das Augenmerk dieses Aufsatzes richtet sich aber auf ein im Schiffbaulichen Kontext neues zukunftweisendes Werkzeug zur signifikanten Verbesserung des Designprozesses. Diese mechanische Topologieoptimierung beruht dabei auf der Anwendung der Finiten-Elemente-Methode (FEM) und ist damit auch integraler Bestandteil dieses Prozessschrittes. Gesucht wird grundsätzlich immer (deterministisch) nach einer opti-malen belastungsgerechten Struktur bei minimalem Materialeinsatz, optisch entsteht eine Art dreidimensionales Lastpfadmanagement. Damit können Schiffstechnische Konstruktionen nicht nur hinsichtlich Faktoren wie Gewicht, Materialbelastung, Steifigkeit, Wanddicken oder Eigenfrequenzen optimiert werden, vielmehr bietet sich sogar die Chance eines zumindest teilweisen Neudesigns. Zum besseren vertieften Verständnis wird demnach im ersten Teil des Aufsatzes auf theoretische Grundlagen und den Stand des Industrieeinsatzes allgemein eingegangen. In einem zweiten Schritt wird dieser Algorithmus dann für die strukturelle konstruktive Verbesserung des Vorschiffbereiches praktisch geprüft. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung einerseits auf der Machbarkeit im Kontext der komplexen Geometrie und auch komplexen Randbedingungen, z.B. Belastungsarten. Andererseits gilt es aus Sicht vor allem der Detailkonstruktion etwaige Topologieoptimierungsergebnisse kritisch zu bewerten und die mögliche Überführung für das gewählte Beispiel darzustellen. Aufgrund des positiven Verlaufes der Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet werden in dem Aufsatz abschließend Schritte zur weiteren Qualifikation des Verfahrens in Form eines Ausblickes präsentiert.
Study on Structural Improvement by Topology Optimization for Bow Structures
Ship structures are designed with a proven methodology. The global process is subdivided in different and time-dependent phases from the initial design up to the detailed steel design. The optimization of all design parameters in the overall process takes place mainly in an iterative manner, see Evan's design spiral. Despite a large number of different and often also competitive design objectives, this strategy is proven. The increasing use of the so called “first-principle-methods” provides further design improvements within the overall iteration process, such as lightweight potentials. But there are further possibilities of improvement associated with these computer-aided me-thods. Although there are automated optimization algorithms established in the shipbuilding industry, the focus of this paper lies on another optimization method to improve shipbuilding steel structures significantly. This mechani-cal topology optimization is based on the application of the finite element method (FEM) and thus an integral part of this process step. By using this approach, the solution will basically tend to an optimal load-orientated structure with minimal material use. This will be done deterministically and the algorithm leads to a kind of load path management appearing as a structural skeleton. Optimization objectives of ship structures can be the minimization of weight, material stresses, plate thicknesses, the maximization of stiffness as well as natural frequency ranges. Furthermore there is the chance to a significant reduction of design iterations and even – at least partially – novel designs.
For a fundamental understanding, the paper deals at first with the theoretical background and the status of the industrial use. In a second step, this method will be tested practically for the structural improvement of a bow structure. The focus is hereby on the one hand to investigate the workflow and the feasibility in the context of complex geometry in addition to many different load cases. On the other hand, the optimization result has to be transferred into buildable constructions for the bow structure example. Subsequently an evaluation is given. Due to the positive research and development in this field, next steps of integrating this method into the global ship design process are finally discussed.
