Prof. Dr. Jochen Blaurock vor dem Hydropulser, mit dem die Experimente im Forschungsprojekt durchgeführt wurden. (Bild: Heike Fischer/TH Köln)

„Faserverbundbauteile kommen häufig an Stellen zum Einsatz, an denen sie zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Es gibt zwar bereits einfache Richtlinien, die eine konservative Abschätzung derartiger Bauteile ermöglichen, eine umfassende Lebensdauervorhersage, die für jede Art der Faserverbundarchitektur Gültigkeit hat, ist jedoch heute noch nicht möglich“, erläutert Projektleiter Prof. Dr. Jochen Blaurock vom Institut für Fahrzeugtechnik der TH Köln.

Im vorliegenden Forschungsprojekt hat Marc Möller im Rahmen seiner Promotion ein mathematisches Verfahren entwickelt, das auf Grundlage einiger weniger Versuche eine Lebensdauerberechnung für beliebig konstruierte Faserverbundbauteile ermöglicht. „Grundlage hierzu ist die sogenannte restfestigkeitsbasierte Ermüdungsbruchkurve für mehrachsige und nichtproportionale Beanspruchungen, welche auf Materialkennwerten basiert, die in den Einzelschichten ermittelt werden“, erläutert Möller.

„Das Modell ermittelt den Schaden, der durch eine einmalige Belastung – einen sogenannten Lastzyklus – in jeder einzelnen Schicht entsteht und darüber hinaus die Wirkung auf den Gesamtverbund. Diese Rechnung wird für mehrere Millionen Lastzyklen wiederholt und der dabei entstehende Schadensfortschritt in jeder Schicht und im Bauteil insgesamt errechnet“, so Blaurock. Auf diese Weise werden insbesondere die kritischen Zwischenfaserbrüche prognostiziert, die schnell zum Versagen des gesamten Bauteils führen können.

Das berechnete Versagensverhalten stellte Möller anschließend im Labor auf die Probe. Die Gelenkwelle eines Sportwagens wurde in einem Hydropulser zeitgleich Zug-, Druck- und Torsionsbelastungen ausgesetzt und dabei bis zu 40 Mal pro Sekunde zehn Tonnen Gewicht ausgesetzt. „Das Experiment und die anschließende Untersuchung des zerstörten Bauteils haben gezeigt, dass die mathematische Vorhersage den eintretenden Schaden gut vorhersagen konnte“, so Blaurock.

In einem Folgeprojekt soll jetzt das erarbeitete Modell für stochastische Beanspruchungen weiterentwickelt werden. Das Forschungsprojekt „Methode zur Berechnung der Lebensdauer von dynamisch beanspruchten Faserverbund-Leichtbauteilen“ der Projektpartner wurde über zwei Jahre durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.