Zur Festigkeitsbewertung von Strukturbauteilen. aus Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden. unter PKW-Betriebslasten

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1 Zur Festigkeitsbewertung von Strukturbauteilen aus Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden unter PKW-Betriebslasten Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Clemens Hahne aus Gießen Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Michael Vormwald Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Darmstadt 2014 D 17

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3 Schriftenreihe Konstruktiver Leichtbau mit Faser-Kunststoff-Verbunden Clemens Hahne Zur Festigkeitsbewertung von Strukturbauteilen aus Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden unter PKW-Betriebslasten D 17 (Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2014

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2014 Copyright Shaker Verlag 2014 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Kurzfassung Die Nutzung von Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden (CFK) kann im Automobilbau weitere Gewichtspotenziale eröffnen und so zur Verbesserung der Effizienz, Sicherheit und Dynamik eines Fahrzeugs beitragen. Um den gewünschten Leichtbaugrad zu erreichen, müssen unter anderem die im PKW-Entwicklungsprozess eingesetzten Verfahren zur Festigkeitsbewertung in Bezug auf die richtungsabhängigen Eigenschaften von CFK methodisch erweitert werden. Hierzu wird die schichtenweise Spannungs-, Verformungs- und Bruchanalyse von CFK um eine schichtenweise Lebensdaueranalyse ergänzt. Zur Charakterisierung der Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften einer unidirektionalen Schicht wurden Versuche an Rohrprobekörpern durchgeführt. Für die Ermittlung der zyklischen Kennwerte wird unter anderem eine strukturierte Einteilung der Haigh-Diagramme vorgenommen und ein neuartiges Verfahren zur Formulierung abgeleitet. Darauf aufbauend wird die Anwendbarkeit der linearen Schadensakkumulation auf den ersten Zwischenfaserbruch in einem Laminat exemplarisch für die Quer-Zug/Druck- Beanspruchung überprüft und durch Vorschläge zur Einschätzung der Restfestigkeit und des Erreichens der Risssättigung ergänzt. Auf Basis von Quer-Längs-Schubversuchen wird darüber hinaus der Einfluss zyklischer Werkstoffnichtlinearität auf die Prognosegüte des Verfahrens diskutiert. Die prototypische Umsetzung der Methoden in die Standardabläufe erfolgt unter Berücksichtigung von Praxisbeispielen aus der PKW-Festigkeitsbewertung. Zur Betriebsfestigkeitsanalyse in der frühen Phase wird eine schwingspielabhängige Form statischer Bruchkriterien implementiert. Die schichtenweise Lebensdauerbewertung unter nichtproportionalen Lasten wird über die Anpassung einer für isotrope Werkstoffe gängigen Standardsoftware ermöglicht.

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7 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand der AUDI AG und des Fachgebiets Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen der TU Darmstadt. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Helmut Schürmann, dem Leiter des Fachgebiets Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen, für die fachliche Betreuung der Arbeit, die stete Möglichkeit zur Diskussion und die vielen hilfreichen Anregungen. Herrn Professor Dr.-Ing. Michael Vormwald, dem Leiter des Fachgebiets Werkstoffmechanik an der TU Darmstadt, danke ich für die freundliche Bereitschaft zur Übernahme des Korreferats. Besonders danken möchte ich Herrn Dr.-Ing. Ulrich Knaust für die umfassende Betreuung und die zahlreichen wertvollen Diskussionen sowie Herrn Dr.-Ing. Oliver Schlicht und Herrn Herwig Reim für die Förderung der Arbeit. Bei den Mitarbeitern der Abteilung Funktionale Simulation und den Mitarbeitern der Abteilung Festigkeit der AUDI AG möchte ich mich hiermit für die wertvolle Unterstützung bei der Durchführung der Versuche, die vielen fachlichen Einblicke und Anregungen und nicht zuletzt auch für die gute Zeit in Ingolstadt herzlich bedanken. Auch den Mitarbeitern des Fachgebiets Konstruktiver Leichtbau gilt mein herzlicher Dank, Herrn Dr.-Ing. Erich Blohberger für die wertvolle Unterstützung bei der Vorbereitung und Durchführung der Versuche, den Technikumsmitarbeitern für die Umsetzung der Versuchsvorrichtungen und Herstellung der Probekörper und den wissenschaftlichen Mitarbeitern, die mir stets mit Rat und Tat zur Seite standen. Des Weiteren bedanke ich mich bei allen Studierenden, die im Rahmen von Abschlussarbeiten bei der AUDI AG einen Beitrag zu dieser Arbeit leisteten sowie auch bei den freundlichen Korrekturlesern für die vielen hilfreichen Anmerkungen. Ingolstadt, im August 2014 Clemens Hahne Vorwort I

8 II Vorwort

9 Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis... V 1 Einleitung Festigkeitsbewertung unter automobilen Randbedingungen Festigkeitsanforderungen an Serien-PKW Einfluss von CFK/Metall-Mischbauweise auf die Ableitung von Betriebslastannahmen Einfluss der Werkstoffstreuung von CFK auf die Umrechnung der Versagenswahrscheinlichkeit für experimentelle Festigkeitsversuche Sonderlasten und Missbrauch Umwelteinflüsse Numerische Bewertungsmethodik für PKW-Strukturbauteile Sonderlasten und Missbrauch PKW-Betriebslasten Bewertung der Betriebsfestigkeit mittels einstufiger Ersatzlastfälle Zur Übertragbarkeit von Nachweismethoden aus der Luftfahrt- und Windkraftanlagenindustrie Schwerpunkte dieser Arbeit Statische und zyklische Versagensmechanismen von CFK Faserbruch Diskussion der Versagensmechanismen Zwischenfaserbruch Diskussion der Versagensmechanismen Zusätzliche Schädigungsmechanismen einer UD-Schicht im Laminat Definition nicht zulässiger Schäden Konzept zur schichtenweisen Lebensdauerbewertung unter PKW-Betriebslasten Auswahl der Betriebsfestigkeitsmethoden Kennwertermittlung/Einstufenversuche Probekörperauswahl und Versuchsaufbau Ermittlung der statischen Festigkeitskennwerte Einfluss von Temperatur und Alterung auf die Querzug-Festigkeitseigenschaften einer CFK-UD-Schicht Auswahl der Wöhlerkurvenformulierung für CFK-UD-Schichten Physikalisch begründete Einteilung des Haigh-Diagramms zur Festlegung des Versuchsumfangs Quer-Zug/Druck ermittelte Wöhlerkurven Quer-Längs-Schub ermittelte Wöhlerkurven Formulierung des Mittelspannungseinflusses Inhaltsverzeichnis III

10 4.3.1 Wöhlerkurvenparameterbezogene Formulierung des Haigh-Diagramms Quer-Zug/Druck-Haigh-Diagramm einer CFK-UD-Schicht Quer-Längs-Schub-Haigh-Diagramm einer CFK-UD-Schicht Anwendung der linearen Schadensakkumulation Überprüfung der Anwendbarkeit der Miner-Regel für Quer-Zug/Druck und Bruchmodus A Einfluss von Omission auf den effektiven Schädigungswert Bewertung der Restfestigkeit auf Basis linearer Schadensakkumulation Bewertung der Risssättigung im Laminat Einfluss der zyklischen Werkstoffnichtlinearität auf die Prognosegüte der schichtenweisen Lebensdauerbewertung Prototypische Umsetzung des Konzepts in die automobilen Standardabläufe Bewertungsablauf für Sonder- und Missbrauchsereignisse Lebensdauerabschätzung von CFK-Strukturen mittels einstufiger Ersatzlastfälle Schichtenweise Lebensdauerbewertung unter proportionalen Einstufenlasten Zur Bewertung räumlicher Spannungszustände Implementierung mittels einer Abaqus-User-Subroutine Auslegung und Festigkeitsbewertung am Beispiel eines CFK-Al-Hybrid-Stabilisators Umsetzung der schichtenweisen Lebensdaueranalyse in den Standardprozess der Gesamtfahrzeugbewertung Umsetzung in Standardsoftware Zur Berücksichtigung nichtproportionaler Beanspruchungen Zur numerischen Bewertung von CFK-Verbindungstechnik Zur Bewertung punktueller Verbindungstechnik im Karosserie-Mischbau Zur Berücksichtigung von CFK-Versagensmechanismen in der Bewertung von Klebstoffverbindungen Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang A Messwerte B Interpolations-Koeffizienten der Haigh-Diagramme C Entwurf eines Klassierverfahrens zur Erkennung synchroner Belastungen D Kalibrierung von Klebstoff- und Delaminationsmodellen E FEM-Ersatzmodell einer CFK-Al-Klebstoffverbindung IV Inhaltsverzeichnis