Untersuchungen von Nahtverbindungen zum Zwecke der steuerbaren Energieabsorption bei Krafteinleitungen in endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsprojekt konnten die wesentlichen Grundlagen und Einflussparameter von Nahtverbindungen unter dem Aspekt der steuerbaren Energieabsorption im Falle von Crashbelastungen erforscht werden. Diese Ergebnisse liefern einen Beitrag zur besseren Strukturintegrität von endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen unter kritischen Zug- und Biegebelastungen. Begleitend zu experimentellen Untersuchungen wurden an validierten Simulationsmodellen die vorherrschenden Energieabsorptionsmechanismen charakterisiert. Gleichzeitig können die numerischen Modelle zur Vorhersage der Deformationskräfte sowie der absorbierten Energie und zur Bauteildimensionierung eingesetzt werden. Bei der experimentellen Charakterisierung der verwendeten Werkstoffe (auch unter hohen Dehnraten) wurden neue Einspannvorrichtungen konstruiert und angefertigt. Mit verschiedenen Versuchskonfigurationen und Prüfgeschwindigkeiten wurden die mechanischen Werkstoffparameter, die für crashbelastete Vorgänge erforderlich sind, untersucht. Dabei zeigten alle untersuchten Garne und Gurte einen ausgeprägten Dehnrateneinfluss. Bei der experimentellen Untersuchung nahtspezifischer Einflüsse wurden zunächst verschiedene Nahtlinientypen auf ihr Energieabsorptionspotential analysiert. Hierbei zeigten Zick-Zack-Nähte mit einem Querriegel das höchste Potential. Mit einem geringen Nahtlinienabstand und einem asynchronen Nahtmuster konnten die höchsten Kraftplateaus bei gleichzeitig geringer Kraft-Oszillation erzielt werden. Die verschiedenen Energieabsorptionsmechanismen und ihre Wechselwirkungen konnten aufgeklärt werden. Die Versuche mit hochfesten Dyneema Werkstoffen lieferten das höchste Energieabsorptions-Potential. Die Arbeitspakete zu den experimentellen Untersuchungen konnten erfolgreich bearbeitet werden und bildeten die Basis für eine prognosefähige Modellierung sowie die simulativen Analysen. Mit Hilfe von 3D-µCT-Aufnahmen wurde ein mikromechanisches FE-Modell einer einzelnen Nahtverbindung aufgebaut. Die Simulationen lieferten detaillierte Einblicke über die auftretenden Spannungen und die Versagenshergänge beim Aufreißen der Nahtverbindung. Die größten Belastungen zeigten sich an den Kontaktpunkten des Ober- und Unterfadens und des Oberfadens mit dem Gurt. Mit einer Simulationsstudie konnte der Einfluss von grundsätzlichen Parametern auf die Verbindungseigenschaften untersucht werden, die zum besseren Verständnis der Belastungszustände und unterstützend beim Aufbau eines recheneffizienten makroskopischen FE-Modell beitrugen. Das Makromodell konnte erfolgreich an die experimentellen Ergebnisse validiert werden. Hierbei zeigten die simulativen Untersuchungen, dass vor allem die Höchstzugkraft des Garns einen ausschlaggebenden Einfluss auf die absorbierte Energie hat. Vor allem in Kombination mit einem dichten Nahtmuster können zusätzlich sehr hohe lokale Strukturverformungen des Gurtes erreicht werden, die einen erheblichen Beitrag auf die gesamte Energieabsorption liefert. Aber auch die Reibungsprozesse beim Garnrutschen wirkten sich deutlich auf die absorbierte Energie aus. Der signifikante Einfluss dieser beiden Effekte war so im Vorfeld nicht erwartet worden und bedeutet für Anwendungen eine wichtige Erkenntnis. Insgesamt wurde das Projekt erfolgreich bearbeitet und so das nötige Verständnis erarbeitet und die nötigen simulativen Werkzeuge entwickelt, um Nahtabsorber für zukünftige Anwendungen gezielt dimensionieren zu können. Neben dem hohen gewichtsspezifischen Energieabsorptionsvermögen liegt der wesentliche Vorteil von Nahtabsorbern (gegenüber Zugabsorbern auf Werkstoffebene) bei der Einstellbarkeit der Kraft- Verformungs-Verläufe. Hierbei wurden Demonstratoren mit unterschiedlichen Kraftanstiegen, Kraftplateau-Stufen und Krafttrigger erfolgreich umgesetzt, die für eine potentielle Verwertung verwendet werden können. Zudem können Nahtverbindungen als Methode der Energieabsorption in Sicherheitsanwendungen, wie bspw. als zugbelastete Crashabsorberelemente in Flugzeugstrukturen, integriert werden und somit die passive Sicherheit von Insassen verbessern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Beitrag zur Charakterisierung und Auslegung zugbelasteter Energieabsorberkonzepte mittels experimenteller, analytischer und numerischer Methoden, Dissertation, IVW-Schriftenreihe Band 122, 2016
Bergmann, T.
- Micro-leveled modeling of structural stitched FRP joints as energy absorbing rupture points, Composite Structures, Vol. 157, pp.131-140, 2016
Netz, J., Hannemann, B., Schmeer, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.08.026)
