Teilprojekt 5

Teilprojekt 5

Strukturmechanik

Motivation und Zielsetzung des Teilprojektes 5

Um Werkstoffe in neuen Einsatzgebieten anzuwenden, sind vielfältige Versuche notwendig, sowohl in Bezug auf die prinzipielle Umsetzbarkeit, als auch aus Gründen der Optimierung. Durch numerische Simulationen kann der Umfang notwendiger Versuche minimiert werden. Das angestrebte Ziel „Bauen mit Papier“ bietet hier vielfältige Ansatzpunkte für solche Simulationen. Einerseits können Bauteile und -gruppen unterschiedlichen Belastungszuständen ausgesetzt werden, die in einem Laborversuch häufig nur unter größerem Aufwand umzusetzen sind. Andererseits kann eine Verbesserung des Zusammenwirkens von unterschiedlichen Papier- und anderen Werkstoffen z.B. an Verbindungsstellen erreicht werden. Als Grundlage hierfür wird ein entsprechendes Materialmodell entwickelt, welches die Eigenschaften des Papierwerkstoffs in adäquater Weise beschreibt. Die Modellierung des Materialverhaltens muss die für das Projekt relevanten Einflussparameter berücksichtigen.

Die charakteristischen Eigenschaften von Papierwerkstoffen machen es notwendig, bestehende Ansätze für die Beschreibung des Materialverhaltens zu Verfolgen und ggf. zu erweitern. Insbesondere auf das zeitliche Verhalten (Viskosität) sowie der Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit spielen eine entscheidende Rolle. Dem viskoelastischen und viskoplastischen Verhalten wurde in den letzten Jahren im Zusammenhang mit Materialmodellen eine große Aufmerksamkeit gewidmet. Eine abschließende Formulierung eines Modells, welche alle genannten Aspekte berücksichtigt, steht allerdings noch aus und ist eine primäre Zielstellung des Teilprojektes. Dabei steht die praktische Anwendbarkeit mit Hinblick auf das Projektziel im Vordergrund. So ist es beispielsweise wichtig, den Beginn von Schädigungen infolge Delaminationserscheinungen mit vertretbarem Rechenaufwand bezogen auf die angestrebten Baugruppen- und Gesamtstruktursimulationen vorherzusagen. Da auf industrieller Seite für das Thema Bauen mit Papier bisher kaum günstige Massenprodukte hergestellt werden, ist die Einbindung der Simulation in einem frühen Stadium in den Entwicklungszyklus von hoher Relevanz.

Struktursimulation zum Nachweis der statischen Festigkeit
Abb.1 Struktursimulation zum Nachweis der statischen Festigkeit

Materialentwicklung und -modellierung

In TP 5 werden sowohl Charakterisierungsversuche an Ausgangsmaterialien für Halbzeuge, als auch Bauteilversuche durchgeführt. So können die relevanten Kenndaten der Papierwerkstoffe ermittelt und deren Änderung infolge der Bauteilherstellung untersucht werden. Des Weiteren dienen die Bauteilversuche der Validierung der in Frage kommenden Materialmodelle.

Fügestellen durch Klebeverbindungen

Parallel zur Materialcharakterisierung werden aus klebegefügten Stellen Proben entnommen und geprüft. Die durch die Klebung veränderte Festigkeit und das Dauerverhalten können so im Detail untersucht und in der Struktursimulation sowie zur weiteren Optimierung in Abstimmung mit TP1 bis TP4 verwendet werden.

Validierung über Bauteil- und Baugruppenversuche

An Bauteilen und Baugruppen werden abschließend experimentelle Untersuchungen an komplexen Geometrien unter Laborbedingungen durchgeführt. Somit werden auch mehrachsige Spannungszustände und damit die universelle Gültigkeit des Materialmodells für die Strukturmechanik überprüft.

Struktursimulation am Demonstrator (Gesamtstruktur) und an verschiedenen Baugruppen

Die Simulation erfolgt an der Gesamtstruktur des im Projekt festgelegten Demonstratorgebäudes, sowie an ausgewählten Baugruppen in Abstimmung mit den Teilprojekten 6 und 7. Die Entwicklung dieses Modells wird im Laufe des Projekts stetig modifiziert und schließlich durch Simulationen mit dem validierten Materialmodell ergänzt.