Faserverbundwerkstoffe im Automobilbau: methodischer Ansatz zur Analyse von Schäden

Abstract

Schadensanalyse beinhaltet die Beurteilung geschädigter Bauteile von der Schadenserkennung bis zur Entscheidung über Tolerierbarkeit, Reparatur oder Austausch. Es gibt derzeit keine allgemeine Bewertungsgrundlage, um die zulässige Schadensgröße für Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) an Fahrzeugen im praktischen Einsatz zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit liefert einen methodischen Ansatz zur Entscheidungsfindung. Die Arbeit befasst sich mit Schäden, die nachträglich in die Fahrzeugstruktur eingebracht werden. Dies kann etwa durch Fehlgebrauch, Unfälle oder Steinschläge geschehen. Fertigungsfehler werden nicht berücksichtigt. In einem Versuchsprogramm wurde die Restfestigkeit von vorgeschädigten CFK Rohren mit unterschiedlichem Lagenaufbau unter Druckbelastung ermittelt. Realitätsgetreue Impacts werden zunächst durch einfache Bohrungen sowie Längs- und Quernuten auf akademische Weise angenähert und die Ergebnisse mit ungeschädigten Proben verglichen. Der Einfluss der Faserorientierung sowohl auf die Schadensausbreitung bei Impactschäden als auch auf die Restfestigkeit wird betrachtet. Deutliche Zusammenhänge zwischen Schadensgröße und Bruchlast konnten ermittelt und analytisch beschrieben werden. Dadurch ist eine Vorhersage der Restfestigkeit bei weiteren Schadensgrößen möglich. Zur potenziellen Reduktion der Versuchsumfänge wird die Möglichkeit der Computersimulation geprüft. Es wird deutlich, dass Simulationsmodelle die umfangreiche empirische Datenbasis derzeit nicht vollständig ersetzen können. Anhand des seitlichen Dachrahmens eines Automobils wird gezeigt, nach welchen Kriterien die Entscheidung über kritische oder unkritische Schäden erfolgt. Dazu wird der Standardlastfall des Dacheindrücktests verwendet. Die Ergebnisse der Versuche dienen als Bewertungsgrundlage. Ein 7-Punkte-Plan fasst die entwickelte Methodik zusammen und dient als Grundlage für die Analyse. Das exemplarisch durchgeführte Vorgehen kann auf beliebige Geometrien und weitere Lastfälle übertragen werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können bereits in der Entwicklungsphase eines Automobils als Entscheidungsgrundlage dienen. Unter Berücksichtigung eines geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahrens zur Detektion der Schädigungen eignet sich die vorgestellte Methodik auch zum Einsatz im automobilen Kundenservice. Es wurden verschiedene Methoden miteinander verglichen. Neben Ultraschall und Computertomographie bietet sich die Optische Lock-In Thermographie für den praktischen Einsatz an.

The analysis of damaged prefabricated parts, starting with their detection and finishing with the decision to tolerate, repair or exchange them is the basic idea of this scientific work. At present there is no general method of evaluation for the allowable damage size for carbon-fibre reinforced plastic (CFRP) parts in vehicles. This study describes a methodical approach to decision-making. The study specifically regards damages that occur to the structure after production, which may happen due to misuse, accident or stone-chipping. Manufacturing imperfections are not taken into consideration in the analysis. The residual strength of pre-damaged cylindrical CFRP tubes with different lay-ups is determined in comprehensive compression tests. Realistic damages such as impacts are academically simplified by drilling holes as well as longitudinal and crosswise slots. The results are compared with the performance of undamaged specimens. Then follows an examination of the influence of fibre orientation on damage dissemination after impacting and residual strength. Significant correlations between damage size and ultimate strength are shown and the relations are described analytically. Thus a prediction of the residual strength becomes possible for further damage sizes. The feasibility of a computer-aided simulation is explored. Such a simulation could reduce the number of practical tests. It becomes obvious that current state of-the-art models cannot completely replace the substantial empirical data. The cant-rail is used as an example to show the criteria by which the decision on critical or noncritical damages is made, using the standard load case of a roof-indentation test. These results are compared with the results of the experimental tests. A 7-step-concept is used for the analysis. The showcase proceeding can be adjusted to fit any geometry and other load cases. The conclusions can already serve as a basis for decision-making during the development phase of a vehicle. With respect to an appropriate non-destructive testing method for damage detection, the presented methodology is suitable for automotive customer services. Different methodes are compared with each other. In addition to ultrasound and computer tomography the optical lock-in thermography is also suitable for practical application.