Massereduzierung einer Lasteinleitung im LR16-Sandwichmonocoque durch Optimierung des Insertelements

Abstract

Das Lions Racing Team der Technischen Universität Braunschweig hat 2016 für seinen LR16 ein Sandwichmonocoque anstelle eines Gitterrohrrahmes gebaut. Um an einem Sandwichpaneel Bauteile zu befestigen und lokalen Lasten flächig in die Struktur einzuleiten wird der Kern lokal durch sogenannte Inserts ersetzt. Ein Formula Student Fahrzeug, wie der LR16, soll besonders leicht sein, deshalb muss auch am Monocoque und den Inserts Gewicht gespart werden, exemplarisch wird dies in der Arbeit am Schultergurtinsert durchgeführt. Laut Regeln muss die Anbindung 13 kN im quasistatischen Zugversuch aushalten und mit mindestens zwei M6 Schrauben befestigt sein. Die Muttern auf der Rückseite müssen zusätzlich jeweils mit einer Unterlegscheibe (BP) mit einem minimalen Radius von 12 mm ausgestattet sein. Es wird zuerst mittels einer analytische Berechnung der erforderliche Insertdurchmesser von 13 mm bestimmt. Danach werden anhand von Literatur und den Regeln drei verschiedene Varianten eines CFK-Röhrchen Insert mit einem Radius von vier Millimeter entwickelt. Bei der ersten Variante ist die 12 mm BP durch eine BP mit 16 mm Radius ersetzt worden. Bei der zweiten Variante ist um das Insert herum ein Core Patch aus Balsaholz mit einem Radius von 13 mm eingesetzt. Und als letzte Variante wird die Anbindung mit einem Deckschicht Patch aus fünf Lagen Gewebe mit Radien von 14, 15, 16, 17 bzw. 18 mm ausgestattet. Die Varianten zwei und drei sind zusätzlich jeweils mit der Regel BP ausgestattet. Alle untersuchten Insertkonzepte haben die erforderliche Last von 13 kN übertroffen, allerdings sind durch aufgetretene Biegebelastung höhere Schäden als erwartet am Sandwichpaneel aufgetreten. Es wird aus Fertigungsgründen zum schwersten Insert (15,0 g gegenüber 12,5 g beim Deckschicht Patch) der drei Insertkonzepte geraten. Auch damit wird eine deutliche Gewichtsersparnis von ca. 1 kg pro Fahrzeug erreicht. Zusätzlich hat sich herausgestellt, dass die angewendete Berechnungsart nicht zur Berechnung der Konzepte mit großer BP und Decklagen Patch ausreichen, lediglich die Variante mit Core Patch versagte beinahe zur berechneten Last und weißt das vorhergesagte Versagensbild auf. Es wird zu weiteren Test mit Teststücken sowie einzelnen Inserts und definierten Lastniveaus geraten, um den Versagenshergang genauer zu verstehen.