CrashOpt – Entwicklung eines Werkstoffmodells für laterale Composite-Crashabsorber

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Lage, im Crashfall bei geeigneter Belastung große Energien bei geringem Eigengewicht aufzunehmen. Diese Eigenschaft macht sie sehr interessant für die Anwendung im Mobilitätsbereich, z.B. als Crashabsorber im Automobil. Dafür muss die Konstruktion die nötige Energie aufnehmen, darf sich dabei aber nicht zu steif verhalten, um für die Insassen gefährliche hohe Entschleunigungen zu vermeiden. Diese Randbedingungen machen eine Optimierung der Konstruktion für den dynamischen Crashfall unumgänglich. Die Berechnung und Auslegung von Faser-Kunststoff-Verbunden stellt aufgrund ihres anisotropen Verhaltens und eigener spezifischer Versagensarten schon im statischen Fall eine große Herausforderung bzgl. der verwendeten Berechnungsmethoden dar. Dies zeigt sich insbesondere beim Einsatz von Strukturoptimierungsverfahren, da mit Hilfe der Berechnung zwischen vielversprechenden Designs und unterlegenen Entwürfen verlässlich unterschieden werden muss. Bei der Optimierung crash- bzw. dynamisch belasteter Strukturen wird die Berechnung des in nahezu allen Bereichen nichtlinearen Verhaltens dieser Strukturen noch anspruchsvoller. So kann nur bedingt auf klassische Optimierungsverfahren zurückgegriffen werden. Stattdessen stellen erfahrungsbasierte heuristische Methoden eine vielversprechende Alternative dar, da sie besser mit starken Nichtlinearitäten arbeiten können.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wird, ausgehend von quasistatischen und Crashversuchen, eine Simulationsmethodik und ein Materialmodell entwickelt, welche für die heuristische Strukturoptimierung von kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Multikammerprofilen mit der Simulationssoftware LS-DYNA geeignet sind. In diesem Projekt arbeiten das Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe und der Lehrstuhl Optimierung Mechanischer Strukturen (OMS) der Bergischen Universität Wuppertal zusammen. Die Entwicklung einer geeigneten Optimierungsstrategie und ihre Implementierung wird am OMS vorangetrieben. Die so erstellten Profile werden mittels Laser-Tapelegeverfahren hergestellt und deren Verhalten mit einer abschließenden Simulation validiert. Die optimierten Profilstrukturen könnten z.B. als Seitenschweller in einer Fahrzeugtür eingesetzt werden.

Das Projekt „CrashOpt – Entwicklung eines optimierungsgerechten Werkstoffmodells für die automatisierte Topologie- und Formfindung von Crashstrukturen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden“ wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – SCHM 2726/4-1.