Strukturoptimierung von in FVK eingebetteten metallischen Lasteinleitungselementen

Die Kombination von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) und Metall im Multi-Material-Design (MMD) birgt ein hohes Leichtbaupotenzial, stellt aber hohe Anforderungen an die notwendigen Bauteilverbindungen. Eine materialgerechte Verbindungstechnologie stellen bereits im Herstellungsprozess der FVK-Bauteile eingebettete metallische Lasteinleitungselemente (sog. "Inserts") dar. Um das volle Potenzial der Technologie auszunutzen, fehlen allerdings bisher Ansätze zur Steigerung der Belastbarkeit.

Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst die Machbarkeit der Integration von Insert-Elementen im für die Herstellung der FVK-Proben genutzten "Resin Transfer Moulding"-Prozess (RTM-Prozess) betrachtet. Durch anschließend durchgeführte quasistatische Festigkeitsuntersuchungen wird der Einfluss unterschiedlicher Belastungsarten und Insert-Geometrieparameter auf das Versagensverhalten und die Belastbarkeit eingebetteter Inserts ermittelt. Durch eine FEM-Struktursimulation werden Ursachen für das experimentell beobachtete Versagensverhalten identifiziert.

Auf Basis dieser Erkenntnisse wird eine Methode zur Strukturoptimierung eingebetteter Insert-Elemente abgeleitet. Der Ansatz zielt auf eine Steigerung der Belastbarkeit unter Kopfzugbelastung durch Glättung versagenskritischer Spannungsspitzen ab. Die Kombination eines parametrischen FE-Modells mit einem Optimierungsalgorithmus erlaubt es dabei, für unterschiedliche gegebene Randbedingungen optimale Insert-Geometrien zu bestimmen. Bei der anschließend, exemplarisch für gewählte Randbedingungen, durchgeführten Optimierung können versagenskritische Spannungsspitzen deutlich reduziert werden. Eine experimentelle Validierung bestätigt, dass die optimierte Insert-Geometrie zu einer signifikant höheren Belastbarkeit führt.