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- 2001 (1)
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- Doctoral Thesis (1)
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Keywords
Faculty / Organisational entity
Das Crashverhalten energieabsorbierender Strukturen aus faserverstärkten
Kunststoffen, die während ihres Gebrauchs wechselnden Temperaturen ausgesetzt
sind, wurde bislang nur wenig erforscht. Typische Anwendungstemperaturen in der
Automobilindustrie, ausgenommen Bauteile, welche direkt mit dem Motor verbunden
sind, bewegen sich zwischen -40 und 100 °C. Da ein polymeres Matrixsystem in
diesem Temperaturbereich stark veränderliche Festigkeiten und Steifigkeiten
aufweist, variieren auch die mechanischen Eigenschaften eines Faser-Kunststoff-
Verbundes (FKV). Dies gilt insbesondere bei Druckbelastungen, da gerade hier die
Fasern auf die Stützwirkung der Matrix angewiesen sind.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des
Crashverhaltens gewebeverstärkter Thermoplaste und deren numerischer Simulation
unter dem Einfluss der Umgebungstemperatur. Da Faser-Kunststoff-Verbunde beim
Crashvorgang ein stark von der Belastungsgeschwindigkeit abhängiges Kraftniveau
aufweisen, muss die Crashprüfung im relevanten Geschwindigkeitsbereich oberhalb
ca. 4 km/h durchgeführt werden können. Hierzu wird die Crashanlage der Institut für
Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) um eine Klimatisierungseinrichtung für Crashversuche
erweitert.
Die Versuche werden erstmals an Strukturen aus glas- und kohlenstoffgewebeverstärkten
technischen Thermoplasten (verschiedene Polyamide und Polycarbonat)
im Temperaturbereich zwischen –30 und 90 °C durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass
die Umgebungstemperatur einen deutlichen Einfluss auf das Crashverhalten hat und
bei der Auslegung energieabsorbierender Strukturen berücksichtigt werden muss.
Die hierfür verantwortlichen Materialparameter werden identifiziert, um eine Aussage
über geeignete Faser-Matrix-Kombinationen für temperaturbelastete Bauteile treffen
zu können.
Die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit sind:
• Die Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls der Matrix und die Crashkennwerte des Verbundes (Mittelkraft und spezifisch absorbierte Energie) stehen
in direktem Zusammenhang. Dies gilt insbesondere beim Versagen des FKV im
Laminatbiegemode.
• Teilkristalline Thermoplaste, auch hochtemperaturbeständige Thermoplaste wie
PEEK, eignen sich wegen der starken Abhängigkeit des Schubmoduls von der
Temperatur nur begrenzt als Matrixsystem für crashbelastete Strukturen.
• Amorphe Thermoplaste, deren Glasübergangstemperatur über der Einsatztemperatur
des Absorbers liegt, zeigen nur einen geringen Abfall des Kraftniveaus
bei zunehmender Temperatur und sind daher zu bevorzugen.
Die derzeit in FE-Programmen implementierten Materialmodelle ermöglichen nicht
die gewünschte Prognosefähigkeit bei der Crashsimulation von Strukturen aus
gewebeverstärkten Thermoplasten, da die komplexen Versagensmechanismen nicht
erfasst werden. Am Beispiel von kohlenstoffgewebeverstärktem Polyamid 12 wird
das Versagensverhalten der experimentell untersuchten Crashabsorber analysiert
und die erforderlichen crashrelevanten Kennwerte ermittelt. Dabei ist das Nachversagensverhalten
unter Druckbelastung von besonderer Bedeutung. Um dieses zu
untersuchen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Druckversuch definiert und eine
Vorgehensweise zur Bestimmung der erforderlichen Versagensparameter vorgestellt.
Die erzielten Simulationsergebnisse korrelieren mit den experimentell ermittelten
Werten im untersuchten Temperaturbereich sehr gut.