Steigerung des Leichtbaupotenzials von Faserverbundbauteilen durch elastomerbasierte Dehnungsentkopplung
Im Zuge stetig wachsender Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz spielt die vollständige Ausnutzung von Materialpotenzialen eine bedeutende Rolle. In vielen Anwendungsbereichen werden Faserverbundkunststoffe (FVK) eingesetzt, die aufgrund ihres einzigartigen Verhältnisses zwischen einer geringen Dichte und hohen Steifigkeits- sowie Festigkeitswerten ein enormes Leichtbaupotenzial bieten. Aufgrund der Anisotropie der mechanischen Eigenschaften werden für mehrachsige Belastungsfälle häufig multidirektionale Laminataufbauten eingesetzt. In aktuellen Forschungsprojekten steht die Entwicklung von innovativen Materialkombinationen aus FVK und Elastomeren für torsionsbelastete Antriebswellenbauteile im Fokus. Dabei soll durch eine elastomerbasierte Dehnungsentkopplung der Spannungszustand im Bauteil optimiert werden, wodurch eine deutlich höhere mechanische Belastbarkeit erreicht wird. Bauartbedingt lässt sich zudem eine hohe Torsionselastizität erzielen, wodurch elastische Kupplungselemente substituiert und der Funktionswert der Komponente maximiert werden kann. Zum aktuellen Entwicklungsstand der Technologie lassen sich jedoch keine validen Aussagen über den Einfluss der Elastomerzwischenlage auf das Betriebsverhalten der Bauteile treffen. Insbesondere das Bauteilverhalten unter Langzeitbelastung, unter Überlastzuständen und das Schädigungsverhalten unter dynamisch-mechanischen Belastungen stellen Unsicherheiten in der Produktentwicklung dar.
In dieser Arbeit werden, basierend auf einer Materialcharakterisierung, Kennwerte und Datensätze generiert, welche für den Aufbau von Simulationsmodellen verwendet werden. Dabei werden sowohl strukturmechanische Modelle zur Analyse der Torsionssteifigkeit und des Stabilitätsverhaltens erstellt als auch Modalanalysen durchgeführt. Die Verifizierung erfolgt über experimentelle Bauteilanalysen. Es wird ein Konzept entwickelt, das simulationsbasierte Sensitivitätsanalysen des Betriebsverhaltens bei fortschreitender Materialschädigung in der Elastomerzwischenlage ermöglicht. Um die Materialschädigung in einem Finite Elemente Modell abzubilden, wird ein schädigungsgradabhängiges Materialmodell kalibriert. Der Verlauf der Ermüdungsschädigung in Abhängigkeit der Materialbeanspruchung wird mittels nichtlinearer Schadensakkumulation modelliert. Über iterativ ablaufende Finite Elemente Simulationen wird die Schädigungsprogression der Elastomerzwischenlage beanspruchungsabhängig und elementbasiert abgebildet. Die Datensätze ermöglichen eine Sensitivitätsanalyse von auslegungsrelevanten Bauteilparametern wie der Torsionssteifigkeit oder der biegekritischen Drehzahl auf eine fortschreitende Ermüdungsschädigung der Elastomerzwischenlage. Die Ergebnisse liefern eine wissenschaftlich-fundierte Grundlage für die Anwendung von spezifischen Analyseverfahren für Bauteile in FVK/E-Hybridbauweise. Die Anwendung der vorgestellten Modelle und Konzepte ermöglicht die Entwicklung von optimierten Leichtbaulösungen in zeit- und kosteneffizienten Produktentwicklungsprozessen.
As requirements for sustainability and resource efficiency continue to grow, the full utilization of material potential is becoming increasingly important. Fiber-reinforced plastics (FRP) are used in many fields of application. Due to their unique ratio between low density and high stiffness and strength values, they offer enormous potential for lightweight construction. Due to the anisotropy of the mechanical properties, multidirectional laminate structures are often used for multiaxial load cases. Current research projects are focusing on the development of innovative material combinations of FRP and elastomers for torsionally stressed drive shaft components. The aim is to optimize the stress state in the component by using elastomer-based strain decoupling, resulting in a significantly higher mechanical load capacity. Due to the design, a high torsional elasticity can be achieved, which can be used to substitute elastic coupling elements and maximize the functional value of the component. However, at the current stage of technology development, no valid predictions can be made about the influence of the elastomer interlayer on the operating behavior of the component. In particular, the component behavior under long-term loading, under overload conditions and the damage behavior under dynamic-mechanical loading represent uncertainties in product development.
In this study, characteristic values and data sets are generated based on a material characterization, which are then used for the development of simulation models. Structural-mechanical models for the analysis of torsional stiffness and stability behavior are created and modal analyses are carried out. Verification is achieved through experimental component testing. An approach that enables a simulation-based sensitivity analysis of the operating behavior with progressive material damage in the elastomer intermediate layer is being developed. To model the material damage in a finite element simulation, a damage-dependent material model is calibrated. The progression of fatigue damage as a function of material stress is modeled using non-linear damage accumulation. Iterative finite element simulations are then used to model the damage progression of the elastomer intermediate layer in a stress-dependent and element-based approach. The data sets enable a sensitivity analysis of design-relevant component parameters such as torsional stiffness or bending-critical speed with regard to progressive fatigue damage in the elastomer intermediate layer. The results provide a scientific based foundation for the application of specific procedures for the analysis of components in FRP/E-hybrid construction. The use of the presented models and concepts enables the development of optimized lightweight solutions in time- and cost-efficient product development processes.