Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Analytisch basierte Auslegungsmethode für FKV/Metall-Mischverbindungen bei dynamisch/medialer Belastung

Durch die Kombination von Stahl- und Aluminiumlegierungen mit hoch belastbaren Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), lassen sich besondere Leichtbaupotentiale für Strukturbaugruppen erschließen. Derzeit fehlen für die Auslegung derartiger Strukturen mit stark divergierenden Werkstoffeigenschaften und komplizierten Strukturphänomenen jedoch geeignete Simulations- und Auslegungsmethoden, sodass oftmals eine Überdimensionierung von mehr als 50% vorliegt. Für die ingenieurmäßige Beschreibung der komplexen Fügebereiche bietet eine schnittreaktionsbezogene Auslegungsmethodik besondere Vorteile. Da Verbindungsstellen speziell im Karosseriebereich komplizierten Wechselwirkungen ausgesetzt sind, die durch eine Überlagerung von mechanischer Schwingbeanspruchung und Korrosionsangriff durch Umgebungsmedien hervorgerufen werden, wird ein anwendungsbezogenes Versagenskriterium für punktförmige Mischverbindungen benötigt.

Die Ergebnisse des beantragten Forschungsprojektes erlauben insbesondere KMU als Sub- bzw. Zulieferunternehmen eine effizientere Auslegung von beliebigen mechanisch/medial belasteten Punktverbindungen in FKV/Metall-Mischbauweise. Dadurch können aufwändige Versuchsreihen am Realbauteil reduziert werden, was die Dauer und Kosten des „Time-to-Market“-Prozesses neuer Produkte deutlich reduziert. Zudem lassen sich durch die hier vorgeschlagene einfache und praxisbezogene Vorgehensweise bei der Auslegung von punktförmigen FKV/Metall-Mischverbindungen neue Verbindungstechniken besser bewerten und neue Geschäftsfelder für die KMU identifizieren und erschließen. Die zu erarbeitende Vorgehensweise ist überall dort von besonderem Interesse, wo die Auslegung von punktförmigen FKV/Metall-Mischverbindungen rechnergestützt erfolgt. Ein großes Anwendungsgebiet stellen demnach Karosseriebaugruppen zukünftiger Fahrzeuggenerationen in Multi-Material-Design mit FKV und Metallen, aber auch Anwendungen aus dem der Schienenfahrzeug-, Schiffs-, und Flugzeugbau, dar.

Ergebniszusammenfassung:

Die erarbeiteten Forschungsergebnisse bilden eine Grundlage für die ingenieurmäßige Auslegung von punktförmigen Fügeverbindungen im Multi-Material-Leichtbau mit endlosfaserverstärkten Kunststoffen und Metallblechen. Da beim Fügen faserverstärkter Kunststoffe komplexe Eigenschaftsänderungen im Bereich der Fügezone entstehen, die sich in hohem Maße auf die Spannungsverteilung in der Fügezone auswirken, basiert die Lösung auf einer schnittreaktionsbezogenen Methodik. Dabei basiert das FE-Ersatzmodell auf etablierten Grundelementtypen, die in allen gängigen FE-Programmen Verwendung finden, wodurch ein technologie- und anwendungsoffener Einsatz mit den in den KMU verfügbaren Fügeverfahren und FE-Programmen möglich ist. Die aufgezeigte Strategie zur Simulation und Auslegung von punktförmigen FK/M-Mischverbindungen ermöglicht somit eine schnelle Implementierung von Fügepunkten in komplexe Berechnungsmodelle sowie deren Versagensvorhersage bei beliebigen quasistatischen und/oder schwingenden Belastungen und medialer Alterung. Aufwändige Versuchsreihen am Realbauteil können somit künftig reduziert werden, was die Dauer und Kosten des „Time-to-Market“-Prozesses neuer Produkte insbesondere für KMU deutlich verkürzt. Für den Anwenderkreis erhöht sich durch die ressourceneffizientere Auslegung von Leichtbaugruppen in Mischbauweise der Wertschöpfungsgrad. Weiterhin kann durch neue Ansätze zur zuverlässigen und effizienteren Berechnung von FKV/Metall-Mischbauweisen deren Akzeptanz erhöht werden, wodurch sich neue Anwendungsfelder für einen flächendeckenden Einsatz ergeben. Insbesondere für Ingenieurdienstleister (zumeist KMU) wird so eine Grundlage zur sicheren Gestaltung und zuverlässigen Dimensionierung von werkstoffgerechten FKV/Metall-Mischverbindungen bereitgestellt.