Abbildungsverzeichnis ........................................... X
Tabellenverzeichnis ........................................... XVI
Verzeichnis der Abkürzungen .................................. XVII
Verzeichnis der Einheiten ..................................... XXI
Zusammenfassung .............................................. XXII
Abstract ..................................................... XXVI
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Ausgangssituation und Problemstellung ................... 1
1.2 Zielsetzung ............................................. 3
1.3 Aufbau und Arbeitsumfang ................................ 3
2 Analyse des Stands der Technik und Ableitung des
Handlungsbedarfs ............................................. 6
2.1 Verbund- und Sandwichbauweise ........................... 7
2.2 Analyse bisheriger Einsatzbereich von
Sandwichstrukturen und deren Anforderungen .............. 8
2.3 Methodische Ansätze der Bauteilauslegung und
Auswahlverfahren ....................................... 14
2.3.1 Methodische Konstruktionsansätze ................ 15
2.3.2 Materialauswahlverfahren ........................ 17
2.3.3 Ansätze mit zusätzlicher systematischer
Auswahl der Herstellungsprozesse ................ 18
2.3.4 Spezifische Ansätze für Sandwichstrukturen ...... 18
2.4 Aufbau und Tragverhalten der Sandwichbauweise .......... 20
2.5 Deckschicht- und Kernwerkstoffe ........................ 21
2.5.1 Deckschichtwerkstoffe ........................... 21
2.5.2 Kernwerkstoffe .................................. 23
2.5.3 Bewertung des Einsatzpotentials der
unterschiedlichen Kernwerkstoffe ................ 31
2.6 Fertigungsverfahren und Verbindungstechnologie ......... 32
2.6.1 Fertigungsverfahren ............................. 33
2.6.2 Verbindungstechnologie .......................... 36
2.7 Berechnung und Dimensionierung von Sandwichbauteilen ... 38
2.7.1 Sandwichtheorie ................................. 38
2.7.2 Balkenbiegung ................................... 44
2.7.3 Versagensarten .................................. 46
2.7.4 Versagenskarten ................................. 49
2.7.5 Berechnung mittels der Finiten Element Methode
(FEM) ........................................... 50
2.8 Diskussion des Handlungsbedarfs ........................ 55
3 Entwicklung des methodischen Ansatzes und Vorgehensweise .... 57
3.1 Darstellung der Vorgehensweise ......................... 57
3.2 Anwendung des Ansatzes am Beispiel einer
Motorverkleidung ....................................... 60
3.2.1 Formulierung der Aufgabenstellung ............... 60
3.2.2 Konstruktionsphase (Funktional und
Prinzipiell) .................................... 61
3.2.3 Gestaltende Phase (Geometrisch,
Herstellungstechnisch) .......................... 65
3.2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse .................. 72
4 Ermittlung von Materialkennwerten der Papierwabenkerne ...... 73
4.1 Versuchswerkstoffe und -probenaufbau ................... 74
4.1.1 Versuchswerkstoffe .............................. 74
4.1.2 Herstellung der Sandwichproben und
Probenaufbau .................................... 77
4.2 Versuchseinrichtung .................................... 78
4.3 Druckversuche senkrecht zur Deckschicht (Out of
Plane) ................................................. 78
4.3.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ......... 78
4.3.2 Ergebnisse der Druckversuche .................... 79
4.4 Druckversuche parallel zur Deckschicht (In Plane) ...... 80
4.4.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ......... 80
4.4.2 Ergebnisse der Druckversuche .................... 80
4.5 Zugversuche senkrecht zur Deckschicht (Out of Plane) ... 81
4.5.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ......... 81
4.5.2 Ergebnisse der Zugversuche ...................... 82
4.6 Schubversuche (Out of Plane) ........................... 83
4.6.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ......... 83
4.6.2 Ergebnisse der Schubversuche .................... 84
4.7 Diskussion der Versuchsergebnisse ...................... 85
4.7.1 Diskussion der Materialkennwerte der Proben
mit Papierwabe I ................................ 85
4.7.2 Diskussion der Materialkennwerte der Proben
mit Papierwabe II ............................... 87
4.7.3 Diskussion der Materialkennwerte der Proben
mit Papierwabe III .............................. 89
4.7.4 Diskussion der Materialkennwerte und der
Auswirkungen der Verprägung von
Papierwabe III .................................. 92
4.7.5 Ableitungen von dichteabhängigen
Korrelationen von Materialkennwerte basierend
auf Wabe I und II ............................... 94
4.7.6 Zusammenfassung ................................ 100
5 Analyse der Sandwichbalken mittels Biegeversuchen .......... 101
5.1 3-Punkt-Biegeversuche an ebenen Platten ............... 103
5.1.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ........ 103
5.1.2 Ergebnisse der 3-Punkt-Biegeversuche ........... 104
5.2 4-Punkt-Biegeversuche an ebenen Platten ............... 108
5.2.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ........ 108
5.2.2 Ergebnisse der 4-Punkt-Biegeversuche ........... 109
5.3 4-Punkt-Biegeversuche an gekrümmten Platten ...... 112
5.3.1 Versuchseinrichtung und Probengeometrie ........ 112
5.3.2 Ergebnisse der 4-Punkt-Biegeversuche mit
gekrümmten Proben ......................... 112
5.4 Analyse und Diskussion der Versuchsergebnisse ........ 114
5.4.1 Analyse der Biegeversuche auf ihre
Tauglichkeit zur Ermittlung der
Deckschichtsteifigkeit Ed.xx ................... 114
5.4.2 Analyse der Deckschichtfestigkeiten ............ 115
5.4.3 Analyse der Kernschubfestigkeiten .............. 116
5.4.4 Ableitung von Versagenskarten .................. 117
6 Auswahl anwendungsoptimierter Simulationsmodelle ........... 120
6.1 Modellaufbau, Materialmodell und Lasteinleitung ....... 121
6.2 Analyse der Anwendbarkeit der Modellierungsvarianten
durch Abgleich mit dem 4-Punkt-Biegelastfall .......... 123
6.3 Analyse der Anwendbarkeit der Versagenskriterien
durch Abgleich mit 4-Punkt-Biegelastfall an
gekrümmten Strukturen ................................. 129
6.4 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse ............. 132
7 Anwendung der Simulationsmodelle auf Bauteil- und
Baugruppenebene ............................................ 133
7.1 Anwendung und Validierung der Berechnungsmodelle auf
Bauteilebene (Bodenplatte) ............................ 133
7.1.1 Prüfstandskonzeption und Versuchsaufbau ... 133
7.1.2 Abgleich zwischen Simulation und
Versuchsergebnissen ............................ 134
7.2 Validierung der Simulation am Beispiel der
Motoreinhausung ....................................... 139
7.2.1 Prüfstandskonzeption und Versuchsaufbau ... 139
7.2.2 Krafteinleitung und Wegmessung ................. 140
7.2.3 Abgleich zwischen Simulation und Versuch bei
flächiger Belastung ............................ 141
7.2.4 Abgleich zwischen Simulation und
Versuchsergebnissen bei Einzellast ............. 143
7.3 Diskussion der Ergebnisse ............................. 143
8 Fazit und Ausblick ......................................... 144
8.1 Fazit ................................................. 144
8.2 Ausblick .............................................. 148
Anhang ........................................................ 149
Anhang A-1 Herleitung der Biegelinie des 4-Pkt-
Biegeversuchs .............................................. 149
Anhang A-2 Versuchsergebnisse der 3-Punkt-Biegeversuche ...... 152
Anhang A-3 Versuchsergebnisse der 4-Punkt-Biegeversuche ...... 155
Anhang A-4 Zusammenstellung der Versagenskarten und der
Biegeversuchsergebnisse .................................... 157
Anhang A-5 Zusammenstellung der für die FEM Simulation
verwendeten Materialkennwerte .............................. 159
Anhang A-6 Zusammenstellung der richtungsabhängigen
Maximalspannungen der FEM-Simulation für die Proben
II-4P-L-400 ................................................ 160
Anhang A-7 Dehnungsmessung bei den Versuchen mit den
Bodenplatten ............................................... 162
Literaturverzeichnis .......................................... 164
Lebenslauf .................................................... 182
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