Neue gesetzliche Auflagen zur Reduktion der Schadstoffemissionen aber auch das gestiegene Umweltbewusstsein führen zu der Entwicklung immer effizienterer Fahrzeuge in der gesamten Automobilbranche. Neben innovativen Antriebskonzepten hat vor allem der Leichtbau eine entscheidende Bedeutung. Der Trend für zukünftige Leichtbaukarosserien geht in Richtung der Mischbauweisen, die für bestimmte Fahrzeugsegmente auch faserverstärkte Kunststoffe (FVK) beinhalten werden. Diese bieten aufgrund ihrer hohen spezifischen Kennwerte, der einstellbaren mechanischen Eigenschaften sowie der neuen Gestaltungsmöglichkeiten ein großes Potenzial. Für einen effizienten Einsatz dieser Werkstoffklasse sind eine Vielzahl von neuen Herausforderungen näher zu betrachten und zu lösen. So muss beispielsweise der Entwickler in der Lage sein, werkstoffflexible Karosseriekonzepte funktional entwickeln und optimieren zu können. Dabei werden die gleichen Maßstäbe wie bei rein metallischen Bauweisen hinsichtlich Bewertungsgeschwindigkeit, Prognosegüte und Reifegrad innerhalb des Entwicklungsprozesses erwartet. Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung eines Fahrzeuges ist das Crashverhalten. Hierbei werden unterschiedliche Unfallszenarien betrachtet, die neben der passiven Sicherheit auch den Partnerschutz und die Reparaturfreundlichkeit umfassen. Daraus abgeleitet ergeben sich verschiedene Anforderungen an Strukturbauteile, die auch bei einem Einsatz von FVK in diesen Bereichen zu erfüllen sind. Um die unterschiedlichen Anforderungen und Konfigurationen bewerten zu können, werden numerische Methoden eingesetzt, mit denen Strukturen virtuell entwickelt werden und somit Konzepte frühzeitig und kosteneffizient untersucht und optimiert werden. Neben Materialmodellen zur Crashberechnung von metallischen Strukturen stehen in aktuellen FEM-Programmen Faserverbundmodellierungen zur Verfügung, die sowohl den schichtweisen Aufbau als auch die Anisotropie des Werkstoffes berücksichtigen. Für die gezielte Energieabsorption mit FVK-Crashbauteilen (Crushing) stehen jedoch keine Standardmethoden zur Verfügung. Um das hohe Leichtbaupotenzial von energieabsorbierenden FVK-Bauteilen nutzen zu können, werden daher bei der Audi AG in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart entsprechende numerische Modelle entwickelt, um das Materialverhalten virtuell abzubilden. Mit Hilfe eines mesomechanischen Simulationsmodelles können Parameterstudien zum Versagensverhalten gezielt durchgeführt werden. Durch die numerische Analyse der entscheidenden bruchmechanischen Vorgänge wie beispielsweise Faserbruch, Delamination und Reibung können zielführende Konfigurationen entwickelt werden, um ein maximales Leichtbaupotenzial zu erzielen. Aufgrund der hohen Anzahl an Berechnungsknoten erfordern diese Modelle einen hohen Rechenaufwand und eignen sich daher nur für die Analyse einzelner Bauteile. Um zeiteffizient Gesamtfahrzeugsimulationen durchzuführen, wird daher ein hybrider Modellansatz entwickelt. Hierbei wird modelltechnisch das Energieabsorptionsverhalten über ein zusätzliches Materialmodell dargestellt und mit konventionellen Modellen zur Steifigkeits- und Festigkeitsmodellierung gekoppelt. Zur Validierung werden experimentelle Untersuchungen an generischen Bauteilen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Energieabsorption als auch ein mögliches Bruchversagen innerhalb der Struktur numerisch berechnet werden können. Die entwickelten Modelle liefern einen entscheidenden Beitrag zur Bewertung und Optimierung von Konzepten zur Crashauslegung mit FVK-Bauteilen. Kosten- und zeitintensive Prototypenversuche können durch den Einsatz der numerischen Modelle deutlich reduziert werden.
CFK in automobilen Crashstrukturen: Anforderungen, Dimensionierung und Simulation
CFRP in automotive Crash structures: requirements, dimensioning and simulation
2011
17 Seiten, 17 Bilder, 12 Quellen
Conference paper
Storage medium
German
CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) , Anforderung , Bedarfsanalyse , Bedarfsforschung , Dimensionierung , Auslegungsbedingung , Rechnersimulation , Abgasemission , Anwendung im Fahrzeugbau , Leichtbau , Leichtbauweise , Karosserie , Werkstofftechnik , Entwicklungsprozess , Crash-Verhalten , Simulationsmodell , Bruchmechanik , Versagensmechanismus , Delaminierung (Schichtablösung) , Faserbruch , Aufprallenergieabsorptionsvermögen , technische Entwicklung , Fahrzeugsicherheit
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