Entwicklung eines optimierungsgerechten Werkstoffmodells für die automatisierte Topologie- und Formfindung von Crashstrukturen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Schmeer; Professor Dr.-Ing. Axel Schumacher
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329866238

Durch den Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist es möglich Crashstrukturen zu konzipieren, die auf einem einstellbaren und konstanten Kraftniveau kinetische Energie absorbieren. Unter Voraussetzung einer werkstoffgerechten Auslegung sind sie metallischen Lösungen in der Regel überlegen. Dies gilt im Besonderen für thermoplastische FKV, die hinsichtlich Verarbeitung, Recycling und Fügung Vorteile gegenüber den duroplastischen FKV haben. Die Herausforderung liegt in der hohen Komplexität der Entwicklung solcher FKV-Strukturen. Zu diesem Zweck können mathematische Optimierungsverfahren basierend auf hochgradig nicht-linearen Finite-Elemente-Rechnungen unterstützend wirken und den Konstruktionsprozess verbessern. Die Durchführung solcher Optimierungsverfahren erfordert spezielle Anforderungen an das verwendete Werkstoffmodell. Im Forschungsprojekt soll demnach ein flexibles und optimierungsgerechtes Werkstoffmodell für unidirektionale thermoplastische FKV (Tapes) entwickelt werden, das für den Einsatz bei automatischen Topologie- und Formfindungsverfahren von Crashstrukturen anwendbar ist. Dabei soll ein hybrides Verfahren zum Einsatz kommen, welches ausgewählte Strukturänderungen regelbasiert bzw. mit Hilfe von Heuristiken durchführt und die anderen Strukturveränderungen von mathematische Optimierungsalgorithmen steuern lässt. Die Geometriebeschreibung erfolgt mit mathematische Graphen. Die Entwicklung erfolgt in drei Stufen, in denen das Werkstoffmodell und die Heuristiken für die Optimierung sukzessive präzisiert werden. Für vorgegebene Randbedingungen werden in jeder dieser Stufen Strukturoptimierungen durchgeführt, mit denen die Fortschritte der Güte des Werkstoffmodells bewertet werden können. In Stufe 1 wird ein Werkstoffmodell entwickelt, das die Steifigkeit, die Festigkeit und Schädigung eines unidirektionalen thermoplastischen FKV abbildet. Die experimentelle Bestimmung der Werkstoffkennwerte bzw. -funktionen erfolgt mit Hilfe verschiedener Prüfverfahren auf Couponebene. Parallel dazu werden Topologieoptimierungen mit bereits vorhandenen Heuristiken und einem generischen Werkstoffmodell durchgeführt. Diese sollen Informationen hinsichtlich der Sensitivität der einzelnen Parameter liefern. In Stufe 2 wird das Werkstoffmodell erweitert, um auch fortschreitendes Druckversagen (Nachversagen/Crushing) abzubilden. Hierzu werden Prüfkörper auf Komponenten- und Couponebene aus FKV gefertigt und getestet. Zusätzlich dazu werden verschiedene Heuristiken mit folgenden Zielsetzungen erforscht: Generieren robuster FKV-Strukturen, Integration von FKV-Fertigungsrestriktionen und Management des Werkstoffmodells. In Stufe 3 werden die Optimierungen exemplarisch an einem sog. Multifunktionsträger durchgeführt. Mit Hilfe einer experimentellen Validierung kann abschließend die Qualität und Anwendbarkeit des entwickelten Werkstoffmodells in der Strukturoptimierung verifiziert werden und steht dann auch für andere thermoplastische FKV zu Verfügung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen