Combining Simulation-Based Design Techniques for Optimizing Fibre-Reinforced Polymer Parts

Abstract

I dagens søken etter mer effektive, lettere, sterkere og mer robuste deler, har kompositter blitt en viktig del i produksjon generelt. N˚ar kravene til ytelse øker, blir b˚ade design- og produksjonsprosessen mer kompleks. P˚a grunn av de anisotrope egenskapene til kompositter er designprosessen utfordrende. Man trenger dyp innsikt og lang erfaring for ˚a designe konstruksjoner som b˚ade er effektive i materialbruk, samt oppfyller kravene for f.eks. styrke eller stivhet. Har man en godt designet komposittdel i dag, s˚a har man mest sansynlig designerens lange erfaring og dype innsikt ˚a takke. Denne avhandlingen viser at simuleringsbasert design er mulig for anisotrope kompositter, som f.eks. karbonfiberforsterkede polymerer. Ved ˚a bruke b˚ade ikke-parametriske og parametriske metoder for optimalisering, s˚a vil man kunne generere en konstruksjon eller del, med minimale instruksjoner fra designeren. Den optimaliserte delen i denne avhandlingen yter langt bedre enn den tilsvarende, konvensjonelle delen med lik vekt. Maksimal avbøying ble senket med 76%, og maksimal Mises plan-spenning ble senket med 62% i valideringen. En kombinasjon av optimal geometri, samt optimal oppbygning av komposittkonstruksjonen gjør at hvert fiber er bedre utnyttet. Det er liten tvil om at det venter et paradigmeskifte i komposittverden, der datakraft designer deler som vi mennesker aldri hadde drømt om.

In today’s quest for more efficient, lighter, stronger and more robust parts, composites has become an important pillar in the manufacturing realm. With increasing performance demands, the more complex the design and production phase becomes. Due to their inherent anisotropic properties, designing composite parts is challenging. It takes experience and deep insight to design a part that is both efficient in material usage and sufficiently stiff or strong. Chances are, with any great performing composite part today, a significant credit must be given to the designers past experience and composite knowledge. This thesis shows that Simulation-based Design is possible with anisotropic composites, such as carbon fiber reinforced polymers. Combining both non-parametric and parametric optimization methods, a part is generated with minimal design inputs from the designer. The part is shown to vastly outperform its conventional made counterpart with the same weight. A 76% decrease of maximum deflection and a 62% decrease of maximum in-plane Mises stress was simulated in the validation stage. A combination of an optimized shape, i.e topology, and an optimized composite ”recipe” leads to better utilization of each fiber. There is little doubt that a paradigm shift is in store for composites, where processing power soom will be designing parts that us humans never would have dreamt of.