Virtuelle Lebensdaueranalyse von Leichtbau-Strukturen unter Berücksichtigung des Steifigkeitsverhaltens im Betrieb

Im Fahrzeugentwicklungsprozess beeinflussen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen maßgeblich die Dimensionierung von Bauteilen und Strukturen. Um die Gewichtsziele eines Fahrzeugs zu erreichen, ist ein konsequenter Leichtbau unter Verwendung von unterschiedlichen, teils innovativen Werkstoffen (beispielsweise kohlefaserverstärkter Kunststoff) und Fügeverbindungen unerlässlich. Sowohl in aktuellen Fahrzeuggenerationen als auch in zukünftigen Multimaterialkonzepten werden die Verbindungstechnologien Widerstandsschweißen und Kleben eingesetzt. Im Fahrzeugbetrieb kann, insbesondere in hochbeanspruchten Bereichen, die Schädigung des Materials bzw. der Verbindung eine Steifigkeitsänderung hervorrufen. Diese wird von Faktoren wie z.B. dem Ausnutzungsgrad, der Beanspruchungsart oder -häufigkeit beeinflusst. Die resultierende Änderung der lokalen Steifigkeit kann zu einer Umlagerung des Lastpfads in der betrachteten Struktur führen. Eine pauschale Aussage über den Einfluss auf die Betriebsfestigkeit kann nicht gegeben werden. Die in der klassischen Betriebsfestigkeitsanalyse verwendete, quasi-statische Superposition von Einheitslastfällen und zugehörigen Zeitfolgen, ist durch die Änderung des lokalen Beanspruchungszustandes nur noch eingeschränkt anwendbar. Der Einfluss des Einzeleffektes Degradation auf größere Strukturen, Zusammenbauten oder eine Gesamtfahrzeugkarosserie ist bisher weitestgehend unerforscht. An Detailproben wurden in der Literatur zahlreiche experimentelle Untersuchungen zum Steifigkeitsverhalten von Verbindungselementen und CFK-Komponenten durchgeführt. An Strukturen liegen lediglich einzelne vereinfachte experimentelle Untersuchungen vor. Für CFK-Komponenten stehen Berechnungsmethoden zur Verfügung, welche an Detailproben validiert und in kommerziell erhältliche Software umgesetzt wurden. Zur Berücksichtigung der Änderung des lokalen Steifigkeitsverhaltens wird ein schrittweises Vorgehen vorgeschlagen, welches jeweils ab einem festzulegenden Wert der lokalen Steifigkeitsänderung, eine Anpassung des FE-Modells erfordert. Diese ist über eine Änderung von Materialparametern, Geometrie oder der Anwendung von Steifigkeitsreduktionsfaktoren möglich. Zur Beschreibung der Degradation wird ein verallgemeinertes Verhalten je Verbindungstechnik abgeleitet. Dieses verallgemeinerte Verhalten beschreibt die erforderliche Steifigkeitsreduktion als Funktion des Schädigungszustandes und wird für die relevanten Randbedingungen, wie z.B. der Beanspruchungsart, parametrisiert. Die relevanten Parameter zur Beschreibung des Steifigkeitsverhaltens werden, basierend auf einer Vielzahl an experimentellen Untersuchungen auf Probenebene, analysiert und bzgl. ihres Beitrages zur Steifigkeitsänderung bewertet. Zudem werden experimentelle Untersuchungen an bauteilähnlichen Strukturen und Subsystemen bzw. Teilkarossen durchgeführt. Dabei werden unterschiedlichste Messmethoden verwendet, um das Steifigkeitsverhalten, den lokalen Beanspruchungszustand und mögliche Lastpfadumlagerungen zu erfassen. Die Berücksichtigung von Steifigkeitsänderungen der benannten Verbindungstechniken in der virtuellen Lebensdaueranalyse war bislang allenfalls rudimentär möglich. Insbesondere für Kleb- und Punktschweißverbindungen werden neuartige Bewertungsansätze zur Bewertung der Reststeifigkeit entwickelt und angewendet. Das neu entwickelte Verfahren bietet zum ersten Mal die Möglichkeit einer gesamthaften Simulation von Steifigkeitsänderungen in Leichtbau-Strukturen. Die Bewertung und der Vergleich von Experiment und Numerik ermöglicht eine Überprüfung der entwickelten Methodik auf einem bisher kaum erforschten Feld der Betriebsfestigkeit