Modellierungsmethoden für Versagen und Festigkeit Verbindungstechnik - Materialmix Aluminium/Faserverbundkunststoff (FVK)

Der derzeitige Fokus in der Automobilentwicklung liegt unter anderem in der Reduktion der CO2-Emission der Fahrzeuge. Ansätze dafür sind neuartige Mobilitätskonzepte und die Optimierung bestehender Systeme. Sowohl bei der Optimierung als auch bei der Entwicklung neuartiger Fahrzeugkonzepte ist der Einsatz von Leichtbauwerkstoffen zur Gewichtsreduktion notwendig. Faserverbundwerkstoffe (FVK) bieten dabei das größte Leichtbaupotential. Der Einsatz von FVK wird dabei durch hohe Material- und Fertigungskosten sowie die mangelnde Integrationsfähigkeit in bestehende Fertigungsprozesse begrenzt. Eine mögliche Lösung stellen Multimaterialsysteme aus einer Verbindung zwischen einem metallischen Werkstoff und einem FVK dar. Bei einer großflächigen und festen Verbindung kann von einem hybriden Werkstoff gesprochen werden. Als Verbindungstechniken kommen dabei vorrangig das Schrauben, Kleben und Nieten in Frage. Die Vorteile dieser hybriden Werkstoffe liegen in einer hohen gewichtsspezifischen Steifigkeit und Festigkeit. Neben dem Versagen des metallischen Werkstoffes oder des FVK muss nun auch das Versagensverhalten der Verbindungen betrachtet werden. In der Funktionsauslegung des Gesamtfahrzeugs ist für den konstruktiven Entwurf und die Dimensionierung der Baugruppen neben der Betrachtung kinetischer Größen (Energieaufnahme, Kraftniveau, Beschleunigungen) das Verformungsverhalten der Strukturen von entscheidender Bedeutung. Das lokale Versagens- und Verformungsverhalten der Verbindungen bestimmt dabei signifikant das globale Verhalten der Struktur. Aus diesem Grund ist eine numerische Abbildung der Verbindungselemente in Simulationsmodellen für den virtuellen Entwicklungsprozess unabdingbar. Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden dafür geeignete Modellierungsmethoden mittels der Finite-Elemente-Methode erarbeitet. Zu Beginn werden die verschiedenen Verbindungstechniken hinsichtlich des Fügeprozesses und des Einsatzgebietes im Fahrzeug analysiert. Aufgrund der dadurch abgeleiteten Belastungssituationen werden geeignete Analysen und Versuche durchgeführt, um die Verformungen, die Versagensmoden und die Festigkeiten zu ermitteln. Nach der experimentellen Charakterisierung folgt die Erstellung von Detailmodellen als wesentlicher Schwerpunkt des Forschungsvorhabens. Mittels dieser Detailmodelle soll das Versagensverhalten und die Festigkeit der Verbindungen abgebildet werden. Parallel dazu erfolgt die Visualisierung mit dem ViF-Verbindungstechnik-Tool (ViF-VBT-Tool). Anhand von Prinzipversuchen erfolgt eine Evaluierung der detaillierten Modellierung und der Ergebnisse des ViF-VBT-Tools. Ausgehend von den verschiedenen Modellierungsmethoden sollen Lösungsansätze für die Umsetzung im Entwicklungsprozess bei den Industriepartnern entwickelt werden. Mittels eines Softwareprototyps wird das entwickelte Modellierungskonzept anhand ausgewählter Praxisversuche evaluiert. Mit den im Forschungsvorhaben entwickelten Modellierungsmethoden kann die numerische Prognosegüte neuer Leichtbautechnologien in einem Gesamtfahrzeugkonzept unter besonderer Berücksichtigung der statischen und dynamischen Festigkeitsauslegung für Beanspruchungen durch Sonderlasten und Crash verbessert werden.