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Beitrag zur Charakterisierung und Auslegung zugbelasteter Energieabsorberkonzepte mittels experimenteller, analytischer und numerischer Methoden

  • Bedingt durch den Zusammenstoß zweier Objekte im Crashlastfall existieren im Bereich des Güter- und Personentransports eine Vielzahl an Konzepten und Mechanismen für einen kontrollierten Abbau der kinetischen Impactenergie unter äußerer Druckbelastung. Im Gegensatz dazu ist der Wissensstand für eine Energieabsorption unter äußerer Zugbelastung vergleichsweise gering. Für den Anwendungsfall in einer modernen Flugzeugrumpfstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), deren Crashkinematik eine Integration von zugbelasteten Energieabsorberelementen ermöglicht, liefert diese Arbeit sowohl eine Entscheidungsgrundlage für eine Vorauswahl durch einen methodischen Vergleich zugbelasteter Absorberkonzepte als auch Methoden für eine Vorauslegung entsprechender Absorberelemente. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Vielzahl möglicher, zugbelasteter Energieabsorberkonzepte erarbeitet und detailliert untersucht. Die Bewertung der Absorberkonzepte unter den Gesichtspunkten Leichtbaupotenzial (Gewicht, Integrationsmöglichkeiten), Robustheit und Funktionsweise erfolgt anhand charakteristischer Absorberkennwerte, wie gewichtsspezifische Energieabsorption, effektive Geometrie- und Lastausnutzung, Lastschwankung sowie Einfluss von Temperatur und Lastrate auf das Energieabsorptionsvermögen. Dabei lassen sich die Absorberkonzepte in die Kategorien Materialien und Strukturen unter globaler Zugbelastung unterteilen. Auf Materialebene, welche die unterste Betrachtungsebene für eine Energieabsorption unter Zugbelastung darstellt, wird das Energieabsorptionsvermögen typischer Leichtbauwerkstoffe unter Zugbelastung bestimmt. Der zugrunde liegende Energieabsorptionsmechanismus der plastischen Deformation von Materialien bietet aufgrund der vergleichsweise einfachen konstruktiven Lösung ein hohes Leichtbaupotenzial. Hauptnachteil ist jedoch die fehlende Einstellbarkeit sowie die direkte Abhängigkeit der Absorbercharakteristik vom mechanischen Verhalten der betrachteten Werkstoffklasse, was sich, bedingt durch die Bruchdehnung, bei gegebenem Bauraum in der Beschränkung der maximalen Absorptionslänge widerspiegelt. Die Strukturebene bildet eine weitere Betrachtungsebene für eine Energieabsorption unter Zugbelastung. Hier werden Absorberelemente unter globaler Zugbelastung sowie unter lokaler Druckbelastung, die über eine entsprechende Lastumleitung in eine globale Zugbelastung überführt werden kann, untersucht. Letztere bieten jedoch nur für den Fall einer Integration in vorhandene Strukturen ein ausreichend hohes Leichtbaupotenzial, um mit Materialien oder rein zugbelasteten Absorberelementen zu konkurrieren. Im Vergleich zu einfachen Materialien unter Zugbelastung zeichnen sich Absorberelemente auf Strukturebene durch eine generelle Einstellbarkeit der Absorbercharakteristik sowie eine höhere Flexibilität in der Auslegung aus. Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung eines Energieabsorberkonzepts basierend auf dem progressiven Lochleibungsversagen von Faser-Kunststoff- Verbunden (FKV), das sich nicht nur durch eine hohe gewichtsspezifische Energieabsorption, sondern auch durch eine annähernd ideale Absorbercharakteristik sowie eine potenzielle Integration in eine Nietverbindung der betrachteten Flugzeugrumpfstruktur aus CFK auszeichnet. Vor dem Hintergrund der Vorauslegung dieses Absorberelements werden der Einfluss des Faser- und Matrixmaterials, der Faserorientierung und -architektur, der Lastrate (200 mm/min bis 3 m/s) und Temperatur (-20 °C bis 60 °C) sowie geometrischer Parameter wi e Plattendicke und Bolzendurchmesser in einer experimentellen Studie analysiert. Für spröde FKV stellt sich ein kontrolliert ablaufendes progressives Versagen als Kombination aus Transversalschub und Laminatbiegung ein. Die Bildung eines Fragmentkeils vor dem Bolzen begünstigt zudem den Anteil der Reibung an der Gesamtenergieabsorption. Auf Basis der experimentellen Daten wird ein analytischer Ansatz zur Vorhersage der sich einstellenden mittleren Deformationskraft entwickelt. Dieser vereinfachte, energetische Ansatz ermöglicht unter Verwendung materieller (Biegefestigkeit, Reibungseigenschaften, intra- und interlaminare Bruchenergie) sowie geometrischer (Fragmentkeil) Parameter den linearen Zusammenhang zwischen mittlerer Deformationskraft und Bolzendurchmesser bzw. den nichtlinearen Zusammenhang zwischen mittlerer Deformationskraft und Plattendicke abzubilden. Die generelle Eignung numerischer Berechnungsmethoden für eine Vorhersage des progressiven Lochleibungsversagens wird für eine industrielle Anwendung mittels geeigneter Modellierungsansätze in der kommerziellen, expliziten Berechnungssoftware Abaqus/Explicit untersucht. Dies geschieht auf Basis von konventionellen intraund interlaminaren Materialmodellen für gewebeverstärkte FKV. Mit den gezeigten Modellansätzen lässt sich das generelle Deformationsverhalten des FKV abbilden. Aufgrund der starken Vereinfachung der in der Schädigungszone vor dem Bolzen ablaufenden Mechanismen sowie der unrealistisch frühen interlaminaren Schädigung lassen sich die nichtlinearen Zusammenhänge zwischen mittlerer Deformationskraft und Plattendicke jedoch nur bedingt abbilden.

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Metadaten
Verfasserangaben:Tim Bergmann
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47115
Schriftenreihe (Bandnummer):IVW-Schriftenreihe (122)
Betreuer:Martin Maier
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Veröffentlichungsdatum (online):07.08.2017
Datum der Erstveröffentlichung:04.04.2016
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:04.04.2016
Datum der Publikation (Server):07.08.2017
Seitenzahl:XVI, 182
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Sachgruppen:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Lizenz (Deutsch):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)