Strukturoptimierung einer Platte und ihr Vergleich mit Diatomeenstrukturen


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Abstract

Die Siliziumschalen von Diatomeen (Frusteln) weisen eine unglaubliche Vielzahl an Formen und Strukturierungen auf. Bis heute konnte nicht abschließend geklärt werden, unter welchen Aspekten sich die verschiedenen Frusteln evolutiv entwickelt haben. Eine durch Belastungstests an realen Diatomeen gestützte Theorie geht davon aus, dass die Schalen evolutiv optimierte Leichtbaukonstruktionen darstellen. In dieser Arbeit wird mittels eines Programms zur Topologieoptimierung durch Sickenbildung exemplarisch untersucht, inwieweit sich bei der Optimierung einer Platte bezüglich verschiedener Belastungen eine der Diatomeenschale gleichende Bauteilstruktur ausbilden würde beziehungsweise könnte. Die optimierten Modelle unterscheiden sich in Material, Belastungsart, Belastungsdichte, Belastungs-verteilung, Lagerung und Geometrie. Es zeigt sich, dass die Lagerung und dementsprechend die Geometriekonturen den größten Einfluss auf die entstehende Topologie besitzen. Bei verschiebungs- und rotationsfreier Lagerung aller Seiten formen sich Streben zwischen gegenüberliegenden Plattenecken aus. Teilweise kommt es zur Bildung einer selbstähnlichen Struktur in der Plattenmitte. Insofern wissen die optimierten Platten Analogien zu abstrahierten Frustulstrukuren auf. Sie deuten aber auch auf die Grenzen der Sickenoptimierung hin. Unterstützt werden die Ergebnisse durch erste Berechnungen zur Plattenoptimierung nach der Soft Kill Optimization (SKO) – Methode. Obwohl nicht eindeutig geklärt werden kann, ob und für welche Belastungsfälle Diatomeenschalen optimiert sind, scheint es in jedem Fall lohnenswert, Diatomeen zukünftig als voroptimierte Grundlage für Leichtbaukonstruktionen einzusetzen. Dazu ist weitere Forschungsarbeit notwendig, um den Zusammenhang zwischen den Strukturunterschieden von Diatomeenfrusteln und ihrer Festigkeit zu untersuchen.



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Thesis (Bachelor)
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41657
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Schäfer, M. (2008): Strukturoptimierung einer Platte und ihr Vergleich mit Diatomeenstrukturen , Bachelor thesis,


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