Im Rahmen der Entwicklung neuer Karosserie-Leichtbaukonzepte werden unter dem Begriff 'Multi-Material Design' verstärkt Konstruktionen betrachtet, die gegenüber den modernen Stahl- bzw. Aluminium-Monobauweisen durch einen Materialmix gekennzeichnet sind. Dabei stehen oftmals stark unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten einem Einsatz innovativer Leichtbauwerkstoffe, wie z. B. faserverstärkter Kunststoffe, in der Fahrzeugstruktur entgegen. Ursache sind potenziell hohe mechanische Beanspruchungen, die insbesondere in Lacktrocknungsprozessen in den Fügezonen entstehen können. Am Beispiel eines Schubfeld-Demonstrators - bestehend aus einem Aluminiumrahmen und einem CFK-Schubfeld - werden die thermisch induzierten Verformungen und Dehnungen experimentell ermittelt und anhand von begleitenden FE-Analysen die Berechenbarkeit der auftretenden temperatur- und zeitabhängigen Vorgänge in Mischbaustrukturen diskutiert. Die globale z-Deformation des geklebten Demonstrators kann mit dem abgeleiteten Klebstoffmodell in guter Übereinstimmung zum Experiment dargestellt werden. Es ist zu beachten, dass das Beulverhalten des Schubfelds sehr empfindlich auf geringe Änderungen der Verschiebungen in der Schubfeldebene reagiert. Dies kann durch lokales Delaminieren der Platte als auch durch Streuung der Verschiebungen in der Fügezone verursacht werden. Die Abweichung der lokalen x-Verschiebung in der Fügezone zwischen Experiment und FE-Analyse beträgt etwa 10 %. Um die bleibende Deformation im Bauteil am Ende des Produktionsprozesses zu verringern, ist eine Anpassung des Ausdehnungsverhaltens in Längs- und Querrichtung des Schubfelds nötig. Es wird gezeigt, dass dies nicht durch eine reine Änderung der Lagenorientierung im CFK Schubfeld möglich ist. Mit Hilfe einer kombiniert eingesetzten Nietverbindung kann sowohl die bleibende Deformation eingeschränkt als auch die Fixierung des Bauteils bei nicht ausgehärtetem Klebstoff gewährleistet werden. Der Zeitpunkt des Versagens der Nietverbindung im CFK-Fügepartner ist dabei von entscheidender Bedeutung. Um den Aufwand der Modellierung für grosse Bauteile überschaubar zu halten, muss ein Submodell der mechanischen Verbindung abgeleitet werden. Das Versagen der Nietverbindung hat darüber hinaus keine Bedeutung für die Verbindungsfestigkeit, da der Klebstoff im ausgehärteten Zustand eine höhere Tragfähigkeit als die Fügepartner zeigt, und damit den Verbund gewährleistet.
Entwicklung eines Auslegungskonzepts für geklebte und genietete CFK/Al- Karosseriestrukturen auf Basis experimenteller und numerischer Untersuchungen
2004
18 Seiten, 19 Bilder, 8 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
Karosserie , Klebverbindung , Nietverbindung , CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) , Aluminium , experimentelle Untersuchung , numerische Analysis , Leichtbauweise , Wärmeausdehnungskoeffizient , Schubfestigkeit , Demonstrationsmodell , Deformation , Dehnung , Finite-Elemente-Methode , Beulen , Versagen
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