Zur Methodenentwicklung im Entwurf automobiler Strukturkonzepte in FVK-Metall-Hybridbauweise unter Crashbelastung

Hybride Materialsysteme aus FVKs und Metallen sind ein vielversprechender Ansatz, um den stetig steigenden Anforderungen an die passive Sicherheit und die energetische Effizienz im Betrieb zukünftiger Fahrzeuggenerationen durch effektive Leichtbaumaßnahmen in der Rohkarosserie gerecht zu werden. Für die erfolgreiche, technische Implementierung neuartiger Materialsysteme ist ein profundes Verständnis der Mechanismen unter Last und Versagen durch experimentelle Untersuchungen, Methoden zur gezielten Materialauswahl für eine spezielle Strukturanwendung und prognosefähige Auslegungsmethoden mithilfe numerischer Simulation nötig. Bisherige wissenschaftliche Studien beschränken sich in der Regel auf die Untersuchung Metall-intensiver Hybridsysteme und zeichnen sich, aufgrund des allgemein großen Parameterraums und ihrer meist sehr spezifischen Fragestellungen, durch eine mangelnde Vergleichbarkeit aus. Weiterhin fehlt die integrative Herangehensweise an die drei nötigen Disziplinen, um die Vorteile einer konsistenten Datenbasis und Synergien nutzbar zu machen. Die, in dieser Arbeit vorgestellte, multidisziplinäre Gesamtmethodik verfolgt erstmalig diesen integrativen Ansatz und bearbeitet gleichzeitig wissenschaftliche Fragestellungen in den Einzeldisziplinen. Die umfangreichen experimentellen Untersuchungen erschließen dabei neue Parameterräume FVK-intensiver Hybridsysteme unter quasistatischer und dynamischer Last mit einem konsistenten Materialspektrum über mehrere Ebenen der Strukturkomplexität. Diese Datenbasis nutzt eine neue, objektive Methode zur Eignungsbewertung und Auswahl hybrider Materialsysteme für eine spezielle Strukturanwendung auf Basis ihres überlagerten Beanspruchungsprofils aus den relevanten Crash-Lastfällen. Weiterhin dienen diese Daten als Grundlage zur Analyse und Bewertung vereinfachter, effizienter Modellierungsmethoden für die Simulation des Crashverhaltens hybrider Strukturen in der Konzeptphase mittels Komplexitäts- und Sensitivitätsstudien. Ein neues Phänomen des nichtlokalen Schädigungsverhaltens im Klebstoff-Interface von FVK-Metall-Hybridsystemen unter Zugbelastung wird beschrieben, experimentell untersucht und in ein prognosefähiges, analytisches Modell überführt. Die Ergebnisse der numerischen Studien indizieren, dass die Erweiterung eines stark vereinfachten, starren Interface-Modells um das entwickelte Modell der nicht-lokalen Schädigung einen zielführenden Kompromiss zwischen Modellgenauigkeit und Ressourceneffizienz darstellt. Die Umsetzung der multidisziplinären Gesamtmethodik auf ein reales Fahrzeugsubsystem mit experimentellen alidierungsversuchen belegt ihre generell Anwendbarkeit, offenbart jedoch gleichzeitig vielseitige Potenziale zur Weiterentwicklung und Achtungspunkte bei der Anwendung.