Strukturen zur Energieumwandlung in Polyurethanschaum-Aluminium-Sandwich Bauweise unter Berücksichtigung spezifischer Versagensmodi

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Polyurethanschaum-Aluminium-Sandwich-werkstoffe hinsichtlich ihres Versagensverhaltens charakterisiert. Hierfür werden die in den Sandwichmaterialien vorliegenden Polyurethanschaumkernwerkstoffe in systematischen Versuchsreihen im Hinblick auf deren Materialparameter untersucht, um den daraus abzuleitenden Sandwichwerkstoffkombinationen eine ingenieurwissenschaftlich begründete Auslegungsbasis zu bieten. Es werden quasi-statische und dynamische Zug-, Druck- und Schubversuche an generischen Schaumprüfkörpern durchgeführt. In numerischen Untersuchungen werden Materialmodelle zur Simulation von Schaumwerkstoffen betrachtet. Geeignete Modelle werden an die in dieser Arbeit verwendeten Materialien angepasst. Ein Knittern der Decklagen wird als gewünschte Zielgröße abgeleitet. Es werden Triggerungsmechanismen, welche das Versagen der Sandwichstrukturen induzieren sollen, betrachtet, um die für diese Werkstoffe geeignete Triggerungsform festlegen zu können. Die gewonnen Ergebnisse fließen in die Betrachtung von Sandwichelementen und die Auslegung von aus Sandwichelementen aufgebauten Prüfkörpern ein. Die Energieumwandlung dieser Elemente und die Widerstandskraft während des Versagens werden bestimmt. Generische Sandwichelemente werden in ebenfalls quasi-statischen und dynamischen Versuchsreihen bezüglich ihres Versagensverhaltens bei in-plane Belastung betrachtet. Hieraus werden geschwindigkeitsabhängige Versagenskarten der Werkstoffkombinationen abgeleitet. Die Erkenntnisse werden sodann auf eine Vorderwagenstruktur eines Demonstrator-Leichtbaufahrzeuges übertragen, welche vollständig in Sandwichbauweise umgesetzt wird. Die Strukturen werden in statischen und dynamischen Versuchen untersucht, wodurch eine Validierung der Entwicklungskette und der Methode vorgenommen werden kann. Außerdem werden die Erkenntnisse aus der numerischen Simulation der Schaumwerkstoffe auf die Berechnungsmodelle der Vorderwagenstruktur übertragen. Ein Vergleich der Simulations- mit den Versuchsergebnissen wird abschließend gezeigt.