Bessere Sandwichstrukturen für den Verkehrssektor
In Kompositen bzw. Verbundwerkstoffen treten zwei oder mehr Materialien in Kombination auf, deren einzelne Strukturen intakt bleiben, d. h. die nicht vermischt werden, um aus den Eigenschaften der einzelnen Elemente zu profitieren. Im Verkehrssektor, wo mehr Gewicht einen höheren Kraftstoffverbrauch und mehr Emissionen bedeutet, sind Sandwichstrukturen mit geringem Gewicht und hoher Festigkeit äußerst beliebt. Jedoch bilden sich aufgrund von mit geringer Geschwindigkeit eintretenden Stoß- oder Aufprallbelastungen Risse und Delamination (Schichtablösung). Mit EU-Finanzhilfe des Projekts IMPACTSMART SANDWICH(öffnet in neuem Fenster) (Active control of impact response of smart sandwich structures) entwickelten Wissenschaftler einen Rückkopplungssteuerungsalgorithmus, um Folgen von Aufprallereignissen bei niedriger Geschwindigkeit zu minimieren. Das Team modellierte die Sandwichstruktur mit einer geringen Anzahl von einzelnen Schichten, um auf wirkungsvolle Weise Belastungen an Grenzflächen mit geringer Rechenlast vorherzusagen. Moderne mathematische Verfahren ermöglichen die Prognose der zeitlichen Variationen von Aufprallkraft, Verformungen, des elektrischen Potenzials, von Geschwindigkeiten, Spannungen und Belastungen. Die Methodik nutzt ungefähr 1 % der Rechenressourcen der Lösung für ein konventionelles Vollimpaktor-Zielsystem-Modell. Eine reduzierte Rechenlast ist jedoch sinnlos, wenn die Resultate ungenau sind. Die Wissenschaftler von IMPACTSMART SANDWICH bestätigten den Wert ihrer Methodik durch Vergleichen bereits publizierter rechnerischer und experimenteller Ergebnisse mit ihren eigenen experimentellen Messungen unter Einsatz ihrer maßgeschneiderten Testkonfiguration. Unter Einsatz des Aufprallmechanikmodells und von Optimierungsalgorithmen mit Nebenbedingungen entwickelten die Wissenschaftler ein Aufprallermittlungsverfahren. Es identifiziert alle mit dem Aufprall verbundenen Parameter und berechnet dann die globalen und lokalen Auswirkungen des Stoßes und kann bestimmen, ob Delamination oder Kernbruchschäden die Folge sind. Ein aktiver Aufprall-Rückkopplungssteuerungsalgorithmus aktiviert dann eine oberflächengebundene piezoelektrische Keramikschicht, welche die Stoßkraft durch ein Form-Morphing-System minimiert. Das Team hat überdies die während des Aufprallereignisses in den piezoelektrischen Wandlern gespeicherte Energie quantitativ bestimmt, wobei man an Gewinnung und Nutzung dieser Energie denkt. Die Resultate sind in vier von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschriftenpublikationen und drei Konferenzveröffentlichungen beschrieben worden. Die Technologie wird einen wichtigen Beitrag zur Konkurrenzfähigkeit des EU-Kompositherstellungssektors leisten, wobei sowohl Entwurf, Konstruktion und Ausführung der Verbundwerkstoffe als auch deren Überwachung und Prüfung im Einsatzfall verbessert werden.
Schlüsselbegriffe
Sandwichstrukturen, Verbundstrukturen, Komposit, piezoelektrisch, Rückkopplungssteuerung, Auswirkung, Reaktion auf Aufprall
