Seitdem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen im Luftfahrzeug-, Automobil- und Sportgerätebau eingesetzt werden, erfolgt dies vorrangig mit Hilfe multiaxialer Mehrlagenlaminate. Vergleichsweise neue Fertigungstechnologien, wie die Tailored Fiber Placement (TFP-)Technologie, eröffnen jedoch die Möglichkeit einer gekrümmten, auch als variabelaxial bezeichneten, Ablage von Verstärkungsfäden. Der zugewonnene Freiheitsgrad, den Verstärkungsfasern an jeder beliebigen Stelle eine neue Richtung zuweisen zu können, bedingt aber auch ein komplexes Verständnis für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Faserverbundbauteilen. Ziel ist es dabei, die Fäden so zu orientieren, dass sie die angreifenden mechanischen Lasten mit einer möglichst gleichmäßigen Beanspruchung übertragen und das notwendige Matrixmaterial nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer Analyse bestehender theoretischer Auslegungsstrategien werden Vor- und Nachteile von reinen Materialoptimierungsansätzen bzw. in Kombination mit einer vorgeschalteten Topologieoptimierung diskutiert. Experimentelle Nachweise werden am Beispiel einer Zugscheibe mit ungleich breiten Einspannbereichen und einem steifigkeitsdimensionierten Fahrradbauteil (Brake Booster) erbracht. Dabei wird insbesondere das hohe Leichtbaupotential einer topologisch optimierten variabelaxialen FKV-Struktur gegenüber einer multiaxialen Laminatgestaltung herausgestellt. Anhand der TFP-Prozesskette wird deutlich gemacht, dass für eine numerische Auslegung variabelaxialer Strukturbauteile neue Softwarewerkzeuge sowie ein hinreichend genaues Analysemodell notwendig sind. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Softwarewerkzeugs AOPS kann die Auslegung beanspruchungsgerechter Strukturbauteile zukünftig effizienter erfolgen. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei der vorgestellte Modellierungsansatz für die Finite Elemente Analyse. Damit ist es erstmals möglich ausgehend von einem beliebigen TFP-Ablagemuster, die spätere Struktursteifigkeit eines komplexen variabelaxialen TFP-Bauteils vorauszusagen. Der entwickelte Modellansatz konnte anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden.

The procedure of joining flexible or nonrigid parts using applied loads is called compliant assembly, and it is widely used in automotive, aerospace, electronics, and appliance manufacturing. Uncontrolled assembly processes may produce geometric errors that can exceed design tolerances and induce an increment of elastic energy in the structure due to the accumulation of internal stresses. This condition might create unexpected deformations and residual stress distributions across the structure that compromise product functionality. This thesis presents a method based on nonlinear Finite Element Analysis (FEA), metamodelling, and optimization techniques to provide accurate and on-time shimming strategies to support the definition of optimum assembly strategies. An example of the method on a typical aerospace wing box structure is demonstrated in the present study. The delivered outputs intend to support the production line by anticipating the response of the structure under a specific assembly condition and presenting alternative assembly strategies that can be applied to address eventual predicted issues on product requirements. / Graduate