Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 3

Zur Faserverbund-gerechten Gestaltung von Knotenstrukturen

Composite-oriented Design of Nodal Structures


Inhalt: Für Rahmenwerke aus Faser-Kunststoff-Verbunden wurde eine Faserverbund-gerechte Knotenbauweise ent-wickelt, die die Hauptlastpfade nachbildet und die un-günstige Aufziehspannungen konstruktiv vermeidet. Die wirtschaftliche Fertigung erfolgt im Fließpressverfahren mit Halbzeugen aus Langfasern und gerichteten Endlosfasern. Numerische und experimentelle Untersuchungsergebnisse werden zu Gestaltungsempfehlungen zusammengefasst.
Abstract: For space frame structures made from fiber-thermoplastic-composites, a suitable T-joint design was developed, which emulates the main loadpaths and keeps critical peel-stresses low. The structure can be compression moulded by using random long fibers and optimally directed endless fibers. Numerical and experimental results where combined to design guidelines.

1 Motivation

Fach- und Rahmenwerke sind ideale Faserverbundstrukturen: Die hervorragenden faserparallelen Steifigkeiten und Festigkeiten des Werkstoffs können in den vorwiegend längs beanspruchten Profilen optimal ausgenutzt werden [1]. Um die Leichtbaugüte zu maximieren, muss es das Ziel sein, auch die Knoten in Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) auszuführen. Es bieten sich unmittelbare Vorteile:
– Eigenspannungen und Verzug infolge unterschiedlicher thermischer Dehnungen von Profilen und Knoten lassen sich vermeiden.
– Elektrochemische Korrosion, wie sie bspw. zwischen Kohlenstofffaser- Profilen und Aluminium-Knoten auftreten würde, wird ausgeschlossen.
– Die Fügetechnik vereinfacht sich: Laminate mit Duroplast-Matrix sind ausgezeichnet klebbar, bei thermoplastischer Matrix sogar schweißbar.
– Qualifikationsaufwände beschränken sich auf einen Werkstoff.
Derzeitige Konzepte für Faserverbundknoten orientieren sich noch stark an metallischen Bauweisen [2]. Daher herrschen gewebeverstärkte, quasiisotrope Schalenstrukturen vor. Faserondulationen aus der Gewebearchitektur sowie Faser-Fehlorientierungen aus der Umformung des Gewebes senken jedoch stark die mechanischen Eigenschaften – insbesondere die faserparallele Druckfestigkeit. Zudem lässt sich mit einem homogenen Halbzeug keine lokal optimale Faserorientierung im gesamten Bauteil einstellen. Fazit: Die bestmögliche Nutzung der teuren Endlosfasern erfordert lastpfadgerechte, auf den Werkstoff zugeschnittene Knotenbauweisen.

2 Werkstoff- und lastpfadgerechte Knotenbauweise

Nach kurzer Überlegung wird das zentrale konstruktive Problem ersichtlich: Durch die Umlenkung der Kraftflüsse vom Quer- in den Längsträger entsteht eine Spannungskomponente σ3 quer zur Verstärkungsrichtung der Fasern (Bild 1 a). Sie werden auf der Knoten-Zugseite als eine äußerst ungünstige Aufzieh-Beanspruchung in Laminat-Dickenrichtung wirksam und spalten das Laminat. Um die kritischen Aufziehspannungen konstruktiv zu vermeiden, wurde eine faser- verbundgerechte Bauweise entwickelt (Bild 1 b): Der zufolge werden die Biege-Normalspannungen des Querträgers unmittelbar aufgenommen und durch verdreht verlaufende Gurte in die Stegflächen des anzuschließenden Längsträgers eingeleitet. Der hierdurch stark vergrößerte Krümmungsradius senkt die Aufziehspannungen erheblich. Das Biegemoment wird über einen großen Hebelarm abgesetzt; die Gurt-Normalspannungen werden über Kleber-Schub an den Stegflächen abgebaut. Die Benennung der Bauweise folgt der Ähnlichkeit zu einer Baumwurzel.

Bild 1  Bauweisenvergleich: a) Die konventionelle Spannungsumlenkung führt zu ungünstigen Aufziehspannungen. b) FKV-gerechte Knotenbauweise durch konstruktive Vermeidung von Aufziehspannungen. Die Faserstränge lassen sich ondulationsfrei drapieren.

Bild 1
Bauweisenvergleich: a) Die konventionelle Spannungsumlenkung führt zu ungünstigen Aufziehspannungen. b) FKV-gerechte Knotenbauweise durch konstruktive Vermeidung von Aufziehspannungen. Die Faserstränge lassen sich ondulationsfrei drapieren.


Die maximale Leichtbaugüte er- reichen FKV bei unidirektional (UD) und ondulationsfrei in Hauptlastrichtung orientierten Fasern. Der gekrümmt verlaufende Gurt-Übergang erfüllt diese Forderungen optimal. Er entspricht einer abwickelbaren Regelfläche (Bild 1 b, rechts), die bei Drapierung schubsteifer Halbzeuge – bspw. vorimprägnierter UD-Bänder – eine ondulationsfreie Faserausrichtung sicherstellt.

Seite des Artikels
Autoren

Dr.-Ing. Matthias Schulitz

TU Darmstadt
Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen (KLuB)
Otto-Berndt-Straße 2
64287 Darmstadt
Tel: 0 61 51/16-2 20 20
E-Mail: matthias.schulitz@klub.tu-darmstadt.de
www.klub.tu-darmstadt.de

Prof. Dr.-Ing.  Helmut Schürmann

TU Darmstadt
Fachgebiet Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen
Otto-Berndt-Str. 2
64287 Darmstadt
Tel.: 0 61 51/16-2 20 20
www.klub.tu-darmstadt.de
E-Mail: helmut.schuermann@klub.tu-darmstadt.de

Verwandte Artikel

Preforming in großer Dimension – innovativer Ansatz in der Rotorblattfertigung

Von der Injektionsbox zum komplexen Werkzeug zur Fertigung von Hybridprofilen