DE2236686A1 - Energieabsorbierende zusammengesetzte strukturen - Google Patents

Description

PATEN1ANWAL"'E

DR.-ING. RICHARD GLAWE · DlPL-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL

MÜNCHEN HAMBURG MÜNCHEN

8 MÖNCHEN 26 POSTFACH 37 LIEBHERRSTR. 20 TEL, (0811) 22 65 48

2 HAMBURG 52 WAITZSTR. 12 TEU (0411) 89 22 55 TELEX 212921 spez

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ITational Research Development Corporation London / England

Energieabsorbierende zusammengesetzte Strukturen

Die Erfindung betrifft energieabsorbierende zusammengesetzte Strukturen.

Es sind zusammengesetzte Gegenstände oder Materialien vorgeschlagen worden, bei denen die Berührung von Grenzflächen zwischen einem inneren Teil und einem dieses umgebenden Elementes oder Materials so ist, daß die lokale Scherbeanspruchung der Verbindung der Grenzflächen verringert wird, wenn die lokale Zug- bzw. Dehnbeanspruchung des Gegenstandes oder

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Materials größer wird. Diesea wird dadurch erreicht, indem man eine kontrollierte Lösung der Verbindung der Grenzfläche unter der Zug- bzw. Dehnbelastung herbeiführt, wobei die Anordnung vorzugsweise so ist, daß die lokale Scherfestigkeit der Grenzflächenverbindung auf Null reduziert wird, und zwar bei einer lokalen Zug- bzw. Dehnbeanspruchung in dem Gegenstand, welche etwas geringer ist als die maximale Zug- bzw. Dehnfestigkeit des inneren Teils.

Die Erfindung betrifft zusammengesetzte Strukturen, die ähnliche Zerstörungscharakteristiken aufweisen und die in verstärkten bzw. armierten zusammengesetzten Materialien und auch für weitergehende Anwendungszwecke verwendet werden können.

Erfindungagemäß wird ein zusammengesetzter Gegenstand geschaffen, welcher ein plastisch deformierbares, hohles, lasttragendes Teil enthält, welches so angeordnet ist, daß es nach innen kontrahiert, und zwar bei einem Beanspruchungsgrad, der kleiner ist als die maximale Zug- bzw. Dehnfestigkeit des Teils, wenn es einer Zug- bzw. Dehnbelastung ausgesetzt wird.

Innerhalb des hohlen Teils kann ein inneres Teil angeordnet sein, welches der Zusammenbruchsbelastung widerstehen kann, die von der plastischen Deformation des hohlen Teils herrührt, wenn es einer Zug- bzw. Dehnbelastung ausgesetzt wird.

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Das innere Teil kann an beiden Enden mit dem es umgebenden hohlen Teil verbunden sein, wobei das innere Teil so angeordnet is-fc, daß es sich unter Spannung vor dem hohlen Teil ausdehnt, und zwar entweder durch Bruch an einer Stelle oder mehreren oder durch plastische oder elastische Verlängerung. Dies kann, dadurch erreicht werden, daß man das innere Teil örtlich schwächt, indem man z.B. Oberflächeneinschnitte einführt oder ein Material für das innere Teil auswählt, welches eine geringere Bruchbelastung als das äußere Teil aufweist. Wenn die inneren und äußeren Teile lediglich an einem Ende oder überhaupt nicht miteinander verbunden sind, ist dies nicht erforderlich.

Gemäß einer anderen Ausführungsfoim der Erfindung können das innere Teil und das es umgebende hohle Teil an einem Ende miteinander verbunden werden, wobei das hohle Teil so an seinem äußeren Ende verankert wird, daß eine Zug- bzw. Dehnbelastung durch das innere Teil auf das hohle äußere Teil ausgeübt werden kann. Die Belastung läßt dann das äußere Teil progressiv in Richtung auf oder auf das innere Teil kontrahieren.

Alternativ kann die Y/anddicke des hohlen Teils so ausgebildet sein, daß eine Kontraktion ohne Bruch des hohlen Teils stattfinden kann, ohne daß eine innere Abstützung vorgesehen wird.

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Für die Anwendung auf ein zunaramengesetztea Material kann das hohle Teil selbst innerhalb einer rohrförmigen äußeren Umhüllung bzw. Scheide angeordnet sein, wobei die Umhüllung relativ stark bzw. fest mit einer sie umgebenden Matrix und relativ schwach mit dem hohlen Teil verbunden ist und die Umhüllung so angeordnet ist, daß rie unter Spannung vor dem hohlen Teil bricht.

!■!in vorzeitiger lokaler Bruch der äußeren Umhüllung kann erreicht werden, indem man mit Absicht Risse baw. Fehlerstellen einführt, eine im Vergleich zu der des innerhalb derselben befindlichen primären, lacttragenden Rohrs relativ kleine Wanddicke verwendet oder die metallurgischen .Eigenschaften der zwei Rohre entsprechend einstellt. Das gleiche Ziel kann {..uch in irgendeiner anderen geeigneten Y;eise erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die äußere Umhüllung radial im Abstand von dem hohlen (Teil angeordnet sein, wobei sie mit diesem lediglich an ihren entgegengesetzten Enden verbunden ist. Indem man dafür Sorge trägt, daß die äußere Umhüllung bei einer Zug- bzw. Dehnbeanspruchung bricht, welche niedriger ist als diejenige, bei welcher der Zusammenbruch des hohlen Teils beginnt, bricht zuerst die Umhüllung unter einer Zug- bzw. Dehnbelnutung, und dann bricht das hohle Teil progressiv zusammen, während es bei diesem Vorgang Energie absorbiert. Auf diese V.'eiiu können die gewünsch-

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ten Bruchöharakteristiken erreicht werden* Ohne daß die 1*ο-SURg der¹ Bindung an der Grenzfläche zwischen denn eisten last*· tragenden* hohlen Seil und dem Rest der ausamiiengesetiatfen Struktur einbezogen werden muß.

Qemäü einer besondere vorteilhaften ÄueführungafOrm können die äußeren Rohre miteinander verbunden werden* z.B. mittels longitudinal gerichteter Gewebe oder durch Verwendung fön draht« bzw. faserförmigew Material, .z»B_# ötahldraht* v/e benaehbartenjf getrennten Bohren •Yerwoben ist

Weitere ÄuBführungsformen der Erfindung werden im folgeöden in beispielhafter Weise beschriebenjf wobei teilweise auf die" Zeichnungen Bezug genoimiien wird. Es zeigen?

fig« 1 einen iängssciinitt durch einen ÜJeii einer eines zusauimengesetzten Materials geinäß der Brfindurigi

Fig. 2 "einen stark vergrößerten Schnitt duieh ein modifiziertes:

fig. 5 einen öeiinitt äimlieh dem der fig« 2 mit einer weiteren

« 4 einen Querschnitt durch eine Weitere

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fig. 5 einen Längsschnitt durch eine v/eitere Aüsführungu form eines Verstärkungneleinentes in eineiii 2uöamiaengeaetisten Material vor dem Bruch}

Pig« 6 eine ähnliche Ansicht während des Brucheaf

. 7 einen Vertikal-'^uerschnit b durch eine absorbierende Struktur in Form einer Abstützung für die Stoßstange eines Kraftfiihrzeugs und

Fig. 8 eine Seilonsicht einer anderen AusfÜhrUngsforni der in Pig. 7 gezeigten Struktur im Querschnitt.

In Pig. 1 ist eine Harzmatrix 12 gezeigt, iii welcher eine Vielzahl von Veratärkungs- bzw. Armierungselementen eingebettet ist, von denen eines in 14 gezeigt ist. Jedes ?©rstärkungselement bestoht aus einem hohlen uuBereii Rohr t6 und einer inneren Stange tÖ_t welche beide aus Stahl von hoher Belastbarkeit bestehen können. Der Draht 18 lot innerhalb des Rohrs angeordnet und beide Teile können nicht üifcoinunder oder an einem oder beiden Enden miteinander verbunden sein* Die Hauptzug- bzw. Dehnbelastung wird von dem Roh? getragen. ίίβηοη der Draht und das Rohr im beiden Knden miteinander verbunden sind, iet ea erJ. order lieh, daß der Draht ;;o angeordnet wird, daß er unter Spnmiui\ vor dem Bohr bricht, indem man beiapielav/eioe örtlich dvn livtuit iuii¹.. <;ht oder am Latorl.·!

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mit einer niedrigeren Brachbelastung verwendet. Dies ist nicht erforderlich, wenn der Draht mit dem Rohr lediglich an einem Ende oder wenn beide Teile, überhaupt nicht miteinander verbunden sind, da sich der Draht dann frei in Bezug auf den Rest des Materials bewegen kann. Im allgemeinen wird man eine Verbindung an mindestens einem Ende schaffen, bei bestimmten Strukturen, z.B. kreisförmigen Strukturen, können jedoch der Draht und das Rohr nicht miteinander verbunden sein, da der Draht Infolge der llatur der Struktur nicht aus dem Material hereiusf allen kann.

Yienn das Material einer Zug- bzw. Dehnbelastung unterworfen wird, deformiert sich das Rohr 16 plastisch. Diese Deformation erfolgt in IPorm einer Einschnürung (necking down) des Rohrs auf den Draht 18, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Kontakt mit dem Draht verhindert, daß das Einschnüren bis zu dem Punkt fortschreitet, an welchem das Rohr unter Spannung bricht. Das Rohr legt sich somit fest bzw. eng um den Draht, und der Draht beginnt in diesem Bereich eine Zug- bzw. Dehnbelastung zu tragen. Da das Rohr während des anfänglichen Einschnürungsverlaufes aus der Bindung mit der Matrix gelöst worden ist, kann die Beanspruchung von der Matrix auf das Rohr lediglich durch die noch verbundene Grenzfläche übertragen werden, welche in einiger Entfernung von der eingeschnürten Region angeordnet ist. Das Ergebnis ist, daß die Region des Plastik-

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bruches des Rohre sich longitudinal in beiden Richtungen fortsetzt, wobei jeder Teil des Rohrs sukzessiv von der Matrix gelöst wird. Dieser DeformationsVorgang findet bei einem hohen Beanspruchungsniveau statt, so daß eine große Energiemenge absorbiert wird, wobei zusätzlich noch bei dem Bruch der Verbindung der Grenzfläche absorbiert wird. Durch die letztere Energie würde sich sonst der Riß durch die Matrix fortpflanzen.

Schließlich wird eine Stufe erreicht, in der die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und der Matrix an dem Ende irgendeines besonderen Verstärkungselementes unzureichend wird, um die Beanspruchung auf das sich deformierende Rohr zu übertragen. An dieser Stufe bricht der verbleibende Teil der Grenzfläche unter Scherung und es findet eine weitere Deformation des Materials statt, indem die Verstärkungselemente in Bezug auf die Matrix gegen restliche Friktionskräfte in Längsrichtung verschoben werden.

Somit wirken zwei getrennte Deformationsvorgänge nacheinander, bevor das Material bricht. Der Bruch durch Zug bzw. Dehnung der Verstärkungselemente wird verhindert, wie auch das anfängliche Aspektverhältnis der Verstärkungselemente und der Stärke der Bindung an die Matrix sein mag. Das Beanspruchungsniveau der ersten Stufe des DeformationsVorganges kann durch den Volumenanteil der Verstärkungselemente und durch

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Kontrolle der metallurgischen Eigenschaften und relativen Proportionen des Rohrs und des Kerns gesteuert werden. Der Deformationsvorgang der ersten Stufe findet bei einem konstanten Beanspruchungsniveau statt. Die zweite Stufe findet bei einem verminderten Beanspruchungsniveau statt, da die teilweise deformierten Teile aus der Matrix herausgezogen werden. Die G-eschwindigkeit, bei der die von dem Material getragene Beanspruchung mit steigender Deformation verschwindet, und das Ausmaß der Deformation der zweiten Stufe sind von den effektiven Längen der Verstärkungselemente beim Einsetzen des sekundären Deformationsschrittes abhängig.

Es ist nicht ,erforderlich, daß die rohrförmigen Teile jnit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sind. Die Kerne können aus jedem geeigneten draht- bzw. faserförmigen Material oder Bündeln von faserförmigen Materialien bestehen, z.B. aus Kohlenstoff-, Bor- oder Glasfasern. Alternativ kann das innere Teil selbst hohl ausgebildet oder ein ein weiteres draht- bzw. faserförmiges Material enthaltendes Hohlteil sein. Auf diese Weise stützt das innere Hohlteil das äußere Teil, und die innersten Fasern stützen das innere Rohr. Dadurch wird der Bruch des äußeren Teils und der totale Bruch der Zusammensetzung weiter verzögert. Die inneren und äußeren Teile können erforderlichenfalls auch mittels eines Harzes oder anderer Zwischenschichten befestigt sein, vorausgesetzt, daß diese

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nicht genügend stark bzw. fest sind, um die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Vorgangs zu verhindern.

In der Fig. 1 ist das Material, das die Bindung der Grenzfläche löst, dasjenige zwischen der Matrix und dem äußeren Rohr des Verstärkungselementes. Wenn dieser Mechanismus befriedigend arbeiten soll, muß die Matrix ihre Einheitlichkeit (integrity) beibehalten. In der Praxis kann dies in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Matrix nicht immer der Fall sein. Weiterhin weist das Material nach der lösung der Bindung der Grenzfläche im ganzen eine geringe oder gar keine transversale Zug- bzw. Dehnungsfestigkeit oder longitudinale Scherfestigkeit auf, es sei denn, der Volumenanteil der Verstärkung selemente ist sehr gering. Um diese Eigenschaften zu verbessern, kann die in Fig. 2 gezeigte Anordnung verwendet werden. In diesem Falle sind das der Fig. 1 entsprechende rohrförmige Teil und der Kern mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das aus dieeen Teilen bestehende Element ist von einer äußeren Umhüllung 20 umschlossen, welche mit der Matrix stark bzw. fest, mit dem Rohr 16 jedoch mittels einer Harzschicht relativ schwach verbunden ist. Das Rohr 16 wird nun zu dem inneren Rohr und bleibt ein primäres, lasttragendes Teil.

Das äußere Rohr 20 ist so gebaut, daß es unter Spannung vor dem inneren Rohr bricht. Gemäß der Ausführungsform der Fig. 2

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wird dies durch die Verwendung eines äußeren Rohrs erreicht, welches eine relativ dünne Y/andung im Vergleich zu der des inneren 'Rohrs aufweist. Das gewünschte Resultat kann jedoch auch auf anderen als den vorstehend genannten Wegen erreicht werden. Bei diesem Weg verursacht ein Riß C in einer örtlichen Region der Matrix den Bruch des äußeren Rohrs, welches seinerseits eine verstärkte Beanspruchung auf das innere Rohr¹ leitet, wobei eine plastische Deformierung des letzteren verursacht wird. Das innere Rohr'bricht somit auf den zentralen Kern zusammen, und die Grenzfläche zwischen den inneren und äußeren Rohren wird dann gelöst, und zwar ziemlich in der gleichen Weise wie die Matrix/Kern-G-renzfläche der Ausführungsform gemäß Fig. 1 (siehe Pig. 3). Die progressive gleichförmige Lö-'sung der Bindung ist jedoch jetzt nicht von der Unversehrtheit der Matrix abhängig, wie dies gemäß der Anordnung der Fig. 1 der Fall war. Bei der Anordnung gemäß der Fig. 1 ist es möglich, daß der vollständige Verlust großer Matrixgebiete zu einer örtlichen Einschnürung des Rohrs an schwachen Punkten vor der die Effekte weiterleitenden Plastikregion führen kann.

Wenn die Matrix intakt bleibt und das äußere Rohr und die Matrix miteinander verbunden bleiben, bewahrt das zusammengesetzte Material selbst nach longitudinaler Zug- bzw. Dehnungsdeformation seine transversale Zug- bzw. Dehnungsfestigkeit und longitudinale Scherfestigkeit. Falls die Matrix in Eeile

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zerbricht, wird die Fähigkeit zur gleichförmigen und progressiven lösung der Bindung nicht zerstört, da die Bindungslösung an einer unterschiedlichen Grenzfläche stattfindet. Eine zusätzliche Kontrolle der Situation kann erreicht werden, indem man die inneren und äußeren Grenzflächen dee äußeren Rohrs und die Natur des polymeren Materials zwischen den Rohren und auch das der Matrix in geeigneter Weise entwirft bzw. auswählt. Falls beide Rohre in Metall ausgeführt sind, kann eine zusätzliche Kontrolle der relativen Bruchbeanspruchung jedes Rohrs erreicht werden, indem man die metallurgischen Eigenschaften des Rohrmaterials modifiziert.

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Fig. 4 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, in der die äußeren Rohre, anstatt individuell ausgebildet zu sein, durch zusammenwirkende longitudinale Rippen bzw. Wellungen 2OA von entgegengesetzten,bahnartigen Teilen ersetzt sind, wobei die Rillungen durch Gewebe 2OB miteinander verbunden sind. Diese Konstruktion bietet eine verbesserte Querfestigkeit» arbeitet andererseits jedoch während des Bruchs unter Zugbzw. Dehnungsbelastung in der gleichen Weise, wie die Anordnungen gemäß den Fig. 2 und 3. Ein ähnlicher Effekt feann erzielt werden, indem man ein geeignetes draht- bzw. faaerförmiges Material, z.B. Stahldraht, zwischen benachbarten, getrennten Rohren verwebt.

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Die beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen schaffen somit verstärkte zusammengesetzte Materialien mit im Vergleich zu gegenwärtig zur Verfügung stehenden Materialien, vergrösserten Bruchwerten unter longitudinalen Zug- bzw. Dehnungsbelastungen und können leicht hergestellt werden. Der Deformationsprozeß kann unabhängig von der physikalischen Metallurgie der Verstärkungselemente sein, wobei er durch die geometrische Anordnung der zusammengesetzten Strukturen kontrolliert wird* Im Falle von Metallen, die eingesetzt werden, um hierfür hohe Energieabsorptionswerte zu liefern, wird der übliche Konflikt zwischen einer hohen Nachgiebigkeitsbelastung und einer großen Bruchverlängerung vermieden* Dadurch ist es möglich, die Verstärkungselemente zu optimieren, um höhere Uaehgiebigkeitsfestigkeiten zu erhalten, da die Verlängerung des zusammengesetzten Materials durch einen getrennten Mechanismus geliefert wird«

In den Fig. 5 und 6 ist ein Verstärkungselement in einem zusammengesetzten Material gezeigt, das aus einem relativ schwachen äußeren Bohr 25 besteht, welches an. seinen entgegengesetzten Handbereichen 25A mit einem höhlen inneren Verstärkungsteil 16 verbunden lot. Das Seil 16 kann unter einer Zug- bzw* Dehhungsbelastung plastisch deformiert werden. Der Bereich 25A kann aus einem polymeren, adhäsiven Material, z.B. aus einem Epoxyharz, bestehen« Zwischen diesen Regionen sind

das Rohr 25 und das Teil 16, wie bei 25B angedeutet« im Abstand voneinander angebracht. Innerhalb des Teils 16 ist ein Kernteil 18 angeordnet, das der Belastung widerstehen kann, die von dem Zusammenbrechen des Teils 16 nach innen unter Belastung herrühren kann. Bas Kernteil 18 ist in einem geschäumten Kunststoff oder in einem Kunststoffmaterial mit niedrigem Elastizitätsmodul 26 gelagert, die das Kernteil in einer zentralen Lage halten und auch verhindern, daß das Matrixmaterial 12, in dem das gesamte Element eingebettet ist, während der Herstellung des zusammengesetzten Materials das Gebiet um das Kernteil durchdringt. Alternativ kann der zentrale Draht lediglich an den Enden mit dem Rohr 16 verbunden v/erden, und zwar in ähnlicher Weise mit der Verbindungsstelle 25A, um das Eintreten von geschmolzenem Matrixmaterial während der Herstellung des Materials zu verhindern«

Bas beschriebene Element ist eines einer großen Anzahl von kurzen Verstärkungselementen, die in der Matrix unter Ausbildung des zusammengesetzten Materials unsystematisch eingebettet sind. Bio einzelnen Elemente können aus geeigneten Längen eines geeigneten Rohr- oder Drahtmaterials zusammengesetzt sein, welche von ununterbrochenen Rohren bzw. Bräuten geschnitten sind. Aus dem zusammengesetzten Material können durch Spritzverfonaung oder durch andere geeignete Techniken Gegenstände geformt werden. In vielen fällen kann ein

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Bieres Matrixmaterial verwendet werden, als Matrix können jedoch auch Beton oder andere Materialien verwendet v/erden.

Da die äußere Umhüllung 25 mit der Matrix entlang ihrer gesamten Länge verbunden ist, tritt "bei einer Zug- bzw. Dehnbelastung die in der Umhüllung erzeugte maximale Zug- bzw. Dehnspannung an ihrem Mittelpunkt auf. Die Umhüllung bricht somit unter Überlastungsbedingungen an ihrem Mittelpunkt und die Spannung wird dann von der Matrix durch die verbundenen Endregionen 25A auf das innere Teil 16 übertragen. Gezielt erzeugte schwache Punkte können verwendet werden, um gewünschtenfalls den Anfangspunkt des Bruches des Rohres zu steuern. Eine zunehmende Spannung führt dazu, daß das Seil 16 plastisch deformiert wird und auf das Kernteil 18 in der in Pig. 6 gezeigten Weise zusammenbricht. Wenn man einen gezielt angebrachten schwachen Punkt in der Mitte der länge des Teils 16 vorsieht, kann man verursachen, daß dieses anfänglich in seiner zentralen Region zusammenbricht. Danach führt die fortwährend größer werdende Belastung zu einem progressiven Zusammenbrechen vom Zentrum nach außen in einer Richtung oder in beiden. Es ist zu beachten, daß die llatur des Püllmaterials 26 so ist, daß sie gegenüber dem Zusammenbruchsmechanismus wenig oder gar keinen Widerstand leistet.

Schließlich kann eine Stufe erreicht sein, bei der das Teil 16 auf seiner gesamten Länge zusammengebrochen ist, mit

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Ausnahme der Endbereiche, an denen es mit der äußeren UmhUllung verbunden ist. FUr den Fall, daß die Ausdehnung des zu-βammengeseteten Materials fortwährend über diesen Punkt hinaus größer wird, sind die Bindungen 25A so angeordnet, daß sie durch Scherung an der Grenzfläche mit der Umhüllung 25 brechen. Das Teil 16 wird dann aus der umhüllung und der Matrix herausgezogen, und zwar bei einem im allgemeinen konstanten hohen

Spannungswert gegen restliche Friktionskräfte* i

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Gemäß dieser Ausführungsform wird somit ein zusammenge- \ setztes Verstärkungs- bzw. Armierungselement geschaffen, das J unter Zug- bzw. Dehnungsspannung durch einen Selbstdeformations- ) prozeß Energie absorbiert und das in leichter Weise aus rela- I tiv einfachen Teilen hergestellt werden kann. Eine Vielzahl solcher kurzer Elemente kann willkürlich in einer Matrix verteilt werden, wobei ein zusammengesetztes Material zur Absorp- \ tion hoher Energien mit gewünschten Bruchcharakterietiken ge- ' bildet wird. Diese Ausführungsform der Erfindung kann in vielfacher Hinsicht modifiziert werden. Wenn z.B. ein zentrales . Kernteil vorgesehen ist, braucht dieses nicht in einem es um- < gebenden Material, wie bei 26 in der Zeichnung angegeben, ge- S lagert sein. Die äußere Umhüllung kann relativ fest bzw. stark , mit der sie umgebenden Matrix verbunden sein, um das tranever- _/ sale Lasttragevermögen des Materials zu verstärken, wenn sie als ^! Verstärkungselement in zusammengesetzten Materialien verwendet wird.

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In den Fig. 7 -und 8 ist die Anwendung der Erfindung auf eine energieabsorbierende Struktur in Form einer Abstützung bzw. eines Lagers für die Stoßstange eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Die Struktur umfaßt ein äußeres Rohr 35 und ein inneres Teil 36, wobei sich zwischen ihnen ein ringförmiger Raum 37 befindet. Bas Rohr 35 is"b aus einem Material gefertigt, welches unter \Zmg- bzw. Dehnbelastimg eine plastische Deformation zeigt." Das Bohr ist an seinem "vorderen- οdex äußeren Ende 38 mit dem -aufbau des Fahrzeugs verankert und weist ein hinteres oder inneres Ende 39 mit vermindertem Durchmesser auf, welches mit dem inneren Teil 36 verschweißt oder anderweitig an diesem befestigt ist. Sowohl das Rohr als auch das innere Teil können aus Stahl gefertigt sein. Das innere Teil schließt einen Bereich 40 mit vergrößertem Durchmesser ein, der in das vordere Ende des Rohrs eingreift und zur Zentralisierung bzw. mittigen Lagerung des Teils 36 in dem Rohr dient. Das vordere Ende des Teils 36 erstreckt sich über das Rohr hinaus und wirkt als Abstützung bzw. Lager für die nicht gezeigte Fahrzeugstoßstange. Im allgemeinen werden an jedem Ende des Fahrzeugs zwei derartige Lager für die vorderen und hinteren Stoßstangen vorgesehen.

Bei der praktischen Verwendung führt die Einwirkung einer Schockbelastung auf das Teil 36, z.B. infolge der Kollision mit einem anderen Fahrzeug, zu einer Bewegung des Teils 36

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nach innen, d.h. in Richtung des Pfeils A. Pie Belastung wird somit von dem inneren Ende des Teils 36 auf das Rohr 35 geleitet, und da das Rohr mit seinem äußeren Ende 38 an dem Fahrzeug befestigt ist, wird es unter Spannung gesetzt. Die Zug- bzw. Sehnbelastung bewirkt, daß das Rohr deformiert wird, indem es progressiv auf das Teil 36 zusammenbricht, so daß die Struktur, wie in unterbrochenen Linien angedeutet, sich verlängert. Diese Deformation findet bei einer konstanten hohen Spannung statt und absorbiert die Energie des Aufpralls. Das Rohr bricht nicht unter Spannung, da es auf dem inneren Teil bei einer Spannung zusammenbricht, welche unterhalb seiner maximalen Zug- bzw. Sehnbelastung liegt. Zusätzliche Aufprallenergie bewirkt dann das Zusammenbrechen des nächsten Abschnitts des Rohrs, wobei durch das innere Teil die weitere Deformation des bereits zusammengebrochenen Abschnitts verhindert wird.

In Fig. θ ist eine modifizierte Aueführungsform gezeigt, gemäß der der Träger der Stoßstange auf dem inneren Teil mittels einer in einen Stutzen (socket) 46 in dem Teil 36 eingreifenden Einstellschraube 45 (differential screw) und in einem Ringlager 47, an dem die Stoßstange befestigt werden kann, gestützt ist. Das vordere Ende der Schraube 45 ist von der Stoßstangenfront abgesetzt und mit einem quadratischen oder anders ausgebildeten Kopf 48 ausgestattet, damit die

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Schraube unter Verwendung einer Radstütze (wheel brace) oder eines anderen.Werkzeuges gedreht werden kann. Auf diese Weise kann die -Stoßstange nach einem Aufprall wieder in ihre ursprüngliche Position gebracht werden. In Abhängigkeit von der Wucht des Aufpralls kann dies mehrere Male durchgeführt werden, bevor die Struktur erneuert werden muß.

Eine Konstruktion, ähnlich der in Pig. 7 oder 8 gezeigten, kann zur Schaffung einer zusammenbrechbaren Lenkradsäule für ein Fahrzeug verwendet werden, und Verstärkungselemente für zusammengesetzte Materialien können in ähnlicher Weise konstruiert werden, um die Kompressionsfestigkeit zu verbessern. Wenn derartige Elemente in einer Matrix eingebettet sind, lösen sie progressiv ihre Bindung von derselben, wenn das äussere Rohr zusammenbricht. Auf diese Weise wird eine G-renzflächenbindung mit der umgebenden Matrix mit einer variablen Scherfestigkeit unter Kompressionsbelastung geschaffen. Das äußere Rohr kann weiterhin so angeordnet werden, daß es lediglich in Richtung, nicht jedoch auf das Mittelteil zusammenbricht.

In sämtlichen der bisher beschriebenen Ausführungsformen hat ein rohrförmiges äußeres Teil eine energieabsorbierende Funktion ausgeübt, indem es auf ein innerhalb desselben angeordnetes Kernteil zusammenbricht. Ähnliche energieabsorbierende

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Strukturen können ebenfalls hergestellt werden, ohne daß ein derartiges Kern- oder Stutzteil notwendig ist. Als Beispiel einer derartigen Konstruktion wurde eine Epoxyharz-Matrix mit einer Vielzahl von Verstärkungs- bzw. Armierungselementen verstärkt, welohe jeweils aus einem Stahlrohr hoher Festigkeit mit einem Außendurchmesser von 2,68 mm und einem Innendurchmesser von 2,05 Mm bestanden. Die Rohre wurden während der Herstellung in die Matrix eingebettet. Es wurde gefunden, daß die Verstärkungselemente sich unter Zug- bzw. Dehnbelastung plastisch deformierten und ein gleitendes bzw. duktiles Lösen der Bindung bewirkten, welches sioh progressiv von dem Bereich mit in der Matrix auftretenden Sprüngen bzw. Rissen erstreckte. Die hier verwendete Bezeichnung "duktile Bindungslösung" betrifft den Bruch der Grenzflächenbindung zwischen einem inneren und einem äußeren Teil, der von einer meßbaren, permanenten Querschnittsreduktion des inneren Teils begleitet ist. Die Bindungslösung schritt bis zu einem Punkt fort, an welchem das Gebiet der Bindung zwischen der Matrix und den Elementen auf ein derartiges Maß reduziert war, daß die Grenzflächenbindung zerstört war und die Elemente begannen, sich gegen restliche Friktionskräfte aus der Matrix herauszuziehen. Es war nicht möglich, einen Bruch der Verstärkungselemente durch Zug- bzw. Dehnung herbeizuführen. Der Bruch des Materials bestand somit aus dem Lösen der Bindung, gefolgt von dem Herausziehen der Verstärkungselemente unter erheblicher Energieabsorption vor dem Eintreten des Bruohes.

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-Ähnliche- Ergebnisse wurden mit Bohren erzielt, die einen äußeren Durchmesser Dfση 1,47 mm töiI eineil inneren Durchmesser von 1,06 ma. aufwiesen* In Verglöiehsversuehen iait herkömmlichen Terstär&ungseleffienten in Form Von massiven Drähten öder Fasern sehritt die Sinsehniiraiig iäa, dem Gebiet des? llatrlxrisse bis 2ü dem iunkt fort* sea welchem die Pasem nfiter Zug- baw* brachen* Dadurch wurde eine Fortsetzung der Mißbildung

in der Matrix sowie dej? JSrtichi des Materials bei einer niedrigeren Biiichbeiastüßg velfttrsaeht.

Bie Wirksamkeit άβΐ "Vei'stärMingseleiiiente gemäß dieser Aus-» führungsform der Erfindung hängt von der maxiiüalen 2lug* bssw. Dehnfestigfceit der Elemente ab» welöhe größer ist als ά±& Spannung, die an dem Binkt entwickelt wird, wo die lösung aef Bindung auftritt, Es wurden f.eusuche unter Verwendung von rohrf öriaigen Elementen aus hochfestem Stahl durchgeführt * wobei man sich Jedoch vergegenwärtigen sollte, daß ahnliche Eesultäte erhalten werden közmeti, wenn' man andere Materialien, £*M* Metalle und bestimmte Polymere, verwendet, welche plastische Deformation unter Zug- bssw· Dehnbelastung zeigen*

Auf diese Weise hergestellte rohrförmige üJeile erfordern nicht die Anwesenheit von !Zentralen Drähten, Fasern oder ande* ren Stüt2teilen, welche in den vorstehenaen Ausfuhrungsformen beschrieben wurden, da sie progressiv ihre Bindung mit der sie

umgebenden Matrix !Ssen und sich in gleichförmiger Weise verlängern, bevor sie unter Spannung brechen. Die Erreichung des gewünschten Resultats wird von der Wandet icke des Eohrs bestimmt, d.h. von den Verhältnis der Querschnittsfläche der Bohrung des Rohrs zu der gesamten Quersciinittefläche, sowie von den Eigenschaften des Materials, aus den das Rohr hergestellt ist.

in dieser Ausführungsfora der Erfindung können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden. Jedes Verstärkungselement kann beispieleweise innerhalb einer rohrförmigen äußeren Um- ' hüllung angeordnet werden, welche relativ stark mit der sie umgebenden Matrix und relativ schwach mit dem Verstärkungselement verbunden ist. Auf diese Weise wird eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber transversalen und longitudinal en Zug- bzw. Sehnspannungen erreicht. Wenn man eine äußer« Umhüllung vorsieht, kann man auch eine Matrix eus einem elastischen Material, z.B. einem gummiartigen Material oder eines duktilen Metall, verwenden. BIe Verstärkungaelemente können ebenfalle entlang ihrer Länge mit induzierten schwachen Punkten an vorbestimmten Stellen ausgestattet werden·

Sie verschiedenen, in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen der Erfindung können weiterhin modifiziert werde», indem man das hohle Teil und den auf diesem zusammenbrechenden lern durch ein modifiziertes hohles Teil ersetzt, welches in der

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Weise der zuvor "beschriebenen Ausführungsform arbeitet. Alternativ kann das äußere Teil so angeordnet werden, daß es in Richtung, nicht jedoch auf das innere Teil zusammenbricht, wenn das äußere Teil eine geeignete Wanddicke aufweist. Im_ allgemeinen ist jedoch vorgesehen, daß das äußere Teil auf das innere Teil zusammenbricht, welches dadurch das Ausmaß des Zusammeribrechens begrenzt und den Bruch des äußeren Teils unter Spannung verhindert. In allen TPällen erfüllt der progressive Zusammenbruch des hohlen Teils eine" energieabsorbierende Funktion.

Zusammengesetzte Materialien die erfindungsgemäß unter ' Verwendung von polymeren Matrizes und Verstärkungselementen aus Metall, Kohlenstoff, Bor oder anderen hochfesten draht- bzw. faserförmigen Materialien hergestellt sind, können beispielsweise für die Herstellung von Luftkissen-Plügeln (aerofoil blades), Umhüllungen (containment devices) für rotierende Maschinen, z.B. Gasturbinen, sowie Druckgefäße verwendet werden. Pur weniger komplizierte Anwendungsgebiete kann die Erfindung zur Verstärkung von Betonstrukturen in Gebäuden verwendet werden. Anhand von Beispielen konnte gezeigt werden, daß die Erfindung auf bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen verwendete energieabsorbierende Strukturen anwendbar ist.

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Claims (15)

Patentansprüche

1.' Zusammengesetzter Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß er ein plastisch deformierbarea, hohl ausgebildetes, lasttragendes Teil (16) enthält, das so angeordnet ist, daß es bei einer Beanspruchung, die geringer ist als seine maximale Zerreißfestigkeit, kontrahiert_t wenn ee einer Zug- bzw. Dehnbelastung ausgesetzt wird.

2. Zusammengesetzter Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in dem hohlen Teil (16) ein inneres Teil (18) angeordnet ist, welches einer Zusammenbruchsbelastung widersteht, die von der plastischen Deformation des hohlen Teils herrührt, wenn dieses einer Zug- bzw. Dehnbelastung ausgesetzt wird.

3. Zusammengesetzter Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Innenteil (18) an beiden Enden mit dem es umgebenden Hohlteil (16) verbunden ist, wobei das Innenteil so angeordnet ist, daß es sich unter Spannung durch Bruch oder Verlängerung vor dem Hohlteil ausdehnt.

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4. Zusammengesetzter Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 TdIs 3 _s dadurch, gekennzeichnet , daß das Innenteil (18) mit örtlichen schwachen Bereichen ausgestattet ist, um seine Extension unter Spannung vor dem es umgebenden Hohlteil (16) herbeizuführen.

5. Zusammengesetzter Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Innenteil (36) und das es umgebende Hohlteil (35) an einem Ende (39) miteinander verbunden sind, wobei das Hohlteil an seinem anderen Ende (38) so verankert ist, daß die Zug- bzw. Dehnbelastung auf das äußere Hohlteil durch das Innenteil ausgeübt werden kann und das äußere Teil progressiv in Richtung auf oder auf das Innenteil kontrahieren läßt.

6. Zusammengesetzter Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Hohlteil (16) so ausgebildet ist, daß die Kontraktion ohne Bruch des Hohlteils stattfinden kann, ohne daß eine innere Abstützung vorgesehen ist.

7. Zusammengesetzter Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennze ichnet , daß er als Verstärkungs- bzw. Armierungselement in einer Matrix vorgesehen ist und daß das Hohlteil (16) in einer rohrförmigen äußeren Umhüllung (25) angeordnet ist, wobei die relativ stark bzw. fest mit der Matrix (12) und relativ schwach mit

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dem Hohlteil (16) verbundene Umhüllung so angeordnet ist, daß sie unter Spannung vor deui Hohlteil zerbricht bzw. zerstört wird.

8. Zusammengesetzter Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet _r daß die äußere Umhüllung (25) eine im Vergleich zu dem Hohlteil (16) relativ dünn ausgebildete Wanddicke aufweist.

9. Zusammengesetzter Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennze ichnet , daß die äußere Umhüllung (25) mit örtlichen schwachen Bereichen ausgestattet ist, um ihren Bruch bzw. ihre Zerstörung unter Spannung vor dem Hohlteil (16) herbeizuführen.

10. Zusammengesetzter Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Umhüllung (25) radial im Abstand von dem Hohlteil (16) angeordnet und mit demselben lediglich an seinen entgegengesetzten Enden (25A) verbunden ist.

11. Zusammengesetztes, eine mit einer Vielzahl von lasttragenden !Teilen verstärkte bzw. armierte Matrix umfassendes Material, dadurch gekennzeichnet , daß die lasttragenden Teile als hohle, rohrförmige Teile (16) ausgebildet sind, welche plastisch deformierbar sind, wenn sie

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einer solchen Zug- bzw. Delinbelästungunterworfen werfen,''" derzufolge eine progressive duktile Lösung der Verbindung "bei einem Belastungsgrad eintritt, welcher kleiner ist-als · die maximale Zerreißfestigkeit des rohrförmigen Teils (!6),

12. Zusammengesetztes, eine mit einer Vielzahl von Armierungs elementen' verstärkte Matrix umfassendes Material, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et , daß Jedes Armierungs-'. bzw.

Verstärkungselement (14) mindestens zwei Teile umfaßt, nämlich-dg.s äußere hohle, plastisch deformierbare * lästtragende Teil (16) und das innere, innerhalb' des Höhlteils · (t6) angeordnete Teil (18), wobei das "Innenteil der Zusammen^ bruchsbelastung widerstehen kann» welche von der plastischen Deformation des Hohlteils herrührt, wenn es einer Zug- bzw.

Dehnbelastung unterworfen wird.

15. Zusammengesetztes, eine mit einer Vielzahl von Armierungselementen verstärkte Matrix umfassendes Material, ■ dadurch, ^g ek en η ζ e· i e h η e t , daß oedes Arjpo.ierungS'-. bzw. Verstärkungselement ein hohles» inneres, -lasttragendes Teil (16), welches plastisch deformiert wird und unter der Zug- bzw. Dehnbelastung nach innen zusammenbricht,, sowie eine äußere Umhüllung (25) aufweist, welche das Hohlteil (.16) umgibt, radial im Abstand von diesem angeordnet ist und mit diesem lediglich ah seinen entgegengesetzten Enden.,(25A) verbunden ist. . . ·

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14* Zusammengesetztes material nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (12) aus einem polymeren Material, das Hohlteil (16) aus einem Metallrohr und das Innenteil (18), soweit vorgesehen, aus einem draht- bzw. fadenförmigen Material besteht, wobei das letztere Material aus der Klasse Kohlenstoff, Bor, Glas oder Metall ausgewählt ist.

15· Vorrichtung zur energieabsorbierenden Montage einer Stoßstange eines Kraftfahrzeuges, gekennzeichnet durch innere (36) und äußere (35), an einem Ende (39) miteinander verbundene Teile, wobei das äußere Teil (35) unter Zugbzw. Dehnbelastungen plastisch deformierbar ist und an seines anderen Ende mit Einrichtungen (38) zur Befestigung Mittels seines äußersten verankerten Endes an dem Fahrzeug ausgestattet ist und das innere Teil (36) an seinem äußeren Ende mit Einrichtungen zur Abstützung bzw. Halterung einer Fahrzeugstoßstange versehen ist, wodurch beim Aufprall auf das äußere Teil durch das innere Teil eine Zug- bzw. Dehnbean-Bpruchung ausgeübt wird, welche das äußere Teil progressiv auf das innere Teil zusammenbrechen läßt.

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