Zur Topologieoptimierung von Mechanismen und Mehrkörpersystemen

Im Entwurfsprozess mechanischer Systeme ist die konzeptionelle Synthese der Topologie trotz der vielfältigen computergestützten Methoden durch ein größtenteils „manuelles“ Vorgehen auf Basis von Erfahrung, Wissen und Intuition bestimmt. Folglich wird häufig auf schon bekannte Konstruktionen zurückgegriffen, ohne neue und gegebenenfalls bessere Entwürfe zu berücksichtigen. Die Idee der Topologieoptimierung ist deshalb, Optimierungsverfahren schon in der Konzeptphase des Entwicklungsprozesses einzusetzen, in der die letztendlich erreichbaren Ergebnisse der gesamten Produktentwicklung bestimmt werden. Sehr weit entwickelt ist dieser Ansatz im Bereich der Strukturmechanik, wo die Topologieoptimierung von Finite-Elemente-Strukturen ein fester Bestandteil des Computer-Aided-Engineering geworden ist. Allerdings bleiben diese Methoden auf Systeme mit kleinen Bewegungen bzw. Deformationen beschränkt. Die vorliegende Arbeit ist deshalb der Frage gewidmet, inwieweit Optimierungsmethoden zur Topologiesynthese von Starrkörpersystemen mit großen und stark nichtlinearen Bewegungen eingesetzt werden können. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der optimierungsbasierten Topologiesynthese von Starrkörpermechanismen, die als zwangläufige, kinematisch bestimmte Mehrkörpersysteme betrachtet werden können und häufig zur möglichst exakten Ausführung einer vorgegebenen Führungsbewegung eingesetzt werden. Das Ziel des Optimierungsprozesses ist somit die optimale Verknüpfung von Starrkörpern unter Berücksichtigung verschiedener Lager- und Gelenktypen, wobei als Gütekriterium die Abweichung der Ist-Bewegung eines Abtriebsgliedes von der Soll-Bewegung verwendet werden kann.