Optimization of load introduction points in sandwich structures with additively manufactured cores

Abstract

This paper presents how numerical optimization methods, like topology optimization, and new design possibilities through additive manufacturing (AM) can be used for structural improvements of the load introduction points in sandwich structures. A new design approach is presented, which allows a direct load-path optimized integration of the load introduction point into the sandwich core. The corresponding methodical procedure is shown and the application is demonstrated exemplarily for a sandwich structure with a honeycomb core. The advantages for design science are that the new design possibilities of AM can be considered and used when designing the load introduction points. Thus, the additional reinforcements of the sandwich structures to absorb locally introduced forces in the lightweight structure can be minimized. This enables a meaningful technical comparison and it can be decided in the future whether such a design can be used for sandwich structures under economic aspects. In addition, the influence of the initial and boundary conditions on the design is presented and discussed in this paper. The challenges of optimizing multiple load introduction points simultaneously as well as the special aspects to be considered when transferring the design approach to larger sandwich structures are also highlighted.

Approach for load path optimized design of sandwich structures using virtual tests and realistic test setups

“…Im Gegensatz dazu existieren in der Literatur auch Ansätze zur Optimierung der Gestaltung einzelner Konstituenten, insbesondere der Inserts [6][7][8]. Weiterführend zeigen Schwenke und Krause [9] ein Vorgehen und entsprechende Ergebnisse zur Integration des Lasteinleitungspunktes in den Kern, um lokale Lasten lastpfadgerecht in die Struktur einzubringen. Eine Topologieoptimierung wird hier am 3D-gedruckten Kern durchgeführt und es wird gezeigt, dass die Randbedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Optimierungsergebnisse haben und dementsprechend in der Gestaltung und Auslegung von Sandwichstrukturen und deren Konstituenten berücksichtigt werden müssen.…”

“…Dabei können bestehende Standardtests, wie der Pull-Out Test [4], verwendet werden. Meist werden die Randbedingungen in diesen Tests zwar zu stark abstrahiert, um Gestaltungsoptimierung sinnvoll durchzuführen [9], die Ergebnisse können aber als Datengrundlage dienen, um ein virtuelles Testmodell stufenweise nach der Produkt-Komponenten-Testpyramide (PKT-Pyramide) [11,12] aufzubauen, das Potential von Gestaltungsänderungen aufzuzeigen und eine Basis für den finalen physischen Testaufbau zu bilden. Hartwich et al [13] zeigen, wie aus der realen Anwendung ein geeigneter Testaufbau für Sandwichstrukturen abgeleitet werden kann.…”

“…Hierbei ist auch eine Anwendung auf andere Kernarten und eine dreidimensionale Optimierung möglich. Drittens kann zusätzlich die Topologie der Einsätze optimiert werden [9]. Viertens ist eine direkte lastpfadoptimierte Integration in den Kern bspw.…”

“…Viertens ist eine direkte lastpfadoptimierte Integration in den Kern bspw. durch additiv gefertigte Sandwichstrukturen möglich [9]. Fünftens kann die Deckschicht zum Beispiel durch lokale Patches oder lokale Aufdopplung der Lagen, die entweder außen oder innen aufgebracht werden, verstärkt werden.…”

Methodical Approach for the Model-Based Development of Aircraft Cabin Product Families Under Consideration of Lightweight and Cost-Based Design

“…A first approach for creating virtual models for testing sandwich joints was created and successfully applied in previous work (Seemann and Krause, 2018). Furthermore, a methodological approach for the optimization of load introduction points integrated into the sandwich structure was developed and implemented (Schwenke and Krause, 2020). A successive extension of the models to the structural and product level of the hierarchical test pyramid as well as an optimization based on the detailed models have not yet taken place.…”