Charakterisierung und Simulation von Leichtholz unter Druckbelastung

Abstract

Bei strukturellen und semi-strukturellen Bauteilen in Fahrzeugstrukturen spielt der Werkstoff Holz bislang eine untergeordnete Rolle. Aufgrund steigender Bestrebungen der Automobilindustrie, den CO2-Fußabdruck in gesamten Produktlebenszyklus zu senken sowie dem Kundenwunsch nach nachhaltigeren Produkten und Materialien, ist es notwendig, ein technisches Verständnis vom Werkstoff Holz als nachhaltige Alternative zu erlangen. Hierfür ist es essenziell, das Verhalten bei unterschiedlichen Belastungsarten zu kennen und zu simulieren, um damit Vorhersagen treffen zu können. Diese Arbeit wird im Rahmen des Forschungsprojektes SuMatHrA am DLR durchgeführt. Ziel des Projektes ist die Substitution von Materialien mit hohem CO2-Fußabdruck durch Leichtholz. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Charakterisierung des Druckverhaltens von Albasia als ein Leichtholz. Aufgrund fehlender Normen für den Werkstoff Holz werden Druckprüfnormen aus dem Bereich der Faser-verstärkten Kunststoffe sowie der Schäume adaptiert, um dreilagige unidirektionale Laminate und Sperrhölzer, Vollholzproben und vielschichtige Sperrholzaufbauten zu untersuchen. Es lässt sich feststellen, dass die mechanischen Eigenschaften sowohl von der Faserorientierung als auch von der Dichte des Holzes abhängen. Bei mehrschichtigen Laminaten mit alternierender Faserorientierung zeigt sich zudem, dass die Kennwerte nicht rechnerisch aus den Ergebnissen der unidirektionalen Laminate bestimmt werden können. Daher ist es erforderlich, diese Aufbauten für eine Simulation vorherigen Versuchen zu unterziehen. In der anschließenden nicht-linearen FEM-Simulation in der Rechenumgebung LS-DYNA werden verschiedene Materialmodelle zu Grunde gelegt und verglichen. Es zeigt sich, dass vor allem Materialmodelle für Faserverstärkte Kunststoffe (MAT_054 und MAT_219) sowie für technische Honigwabenstrukturen (MAT_026) eine hohe Übereinstimmung liefern. Diese Arbeit bietet ein Vorgehen zur mechanischen Charakterisierung von druckbelastetem Leichtholz Albasia. Es werden ebenfalls Grundlagen zur Simulation erarbeitet, die noch erweitert werden müssen, um bspw. heute verwendete metallische Seitenschweller durch Holzstrukturbauteile zu substituieren.