WO2009056442A1

WO2009056442A1 - Verfahren zur auslegung der wandstärke von bauteilen sowie bauteil

Info

Publication number: WO2009056442A1
Application number: PCT/EP2008/063829
Authority: WO
Inventors: Stefan Glaser; Andreas Wüst; Bernhard Aumer
Original assignee: Basf Se
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2009-05-07
Also published as: KR20100086493A; JP2011505608A; AU2008317745A1; US20100299108A1; EP2215571A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung der Wandstärke dauerhaft statisch und/oder dynamisch belasteter Bauteile, wobei die Bauteile aus einem faserverstärkten Polymermaterial gefertigt sind. In einem ersten Schritt werden die Orientierung der Fasern im faserverstärkten Kunststoff und die Lage der Bindenähte im Bauteil durch eine erste Simulationsrechnung bestimmt. Durch eine zweite Simulationsrechnung wird ein Ausnutzungsgrad der Festigkeit des Bauteils berechnet. Die Wandstärke des Bauteils wird an das Ergebnis der zweiten Simulationsrechnung angepasst, und die vorhergehenden Schritte werden wiederholt, wenn eine Änderung der Wandstärke durchgeführt wurde. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Bauteil aus einem faserverstärkten Polymermaterial, der eine Wandstärke aufweist, die durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt wurde.

Description

Verfahren zur Auslegung der Wandstärke von Bauteilen sowie Bauteil

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung der Wandstärke dauerhaft statisch und/oder dynamisch belasteter Bauteile, wobei die Bauteile aus einem faserverstärkten Polymermaterial gefertigt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil aus einem faserverstärkten Polymermaterial, der dauerhaft statisch und/oder dynamisch belastet ist.

Auf Träger wirkt im Allgemeinen eine kontinuierliche statische Kraft durch eine beliebige Vorrichtung, die durch den Träger gehalten wird. Wenn die Vorrichtung, die durch den Träger gehalten wird, beispielsweise ein Motor ist, so können zum Beispiel auch Vibrationen auf den Träger übertragen werden. Hierdurch wird der Träger zusätzlich dauerhaft dynamisch belastet. Derartige Träger sind beispielsweise Motorträger in Kraftfahrzeugen.

Üblicherweise werden die Motorträger in Kraftfahrzeugen aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Der metallische Werkstoff ermöglicht es, geringe Wandstärken auf- grund der großen Festigkeit des Metalls zu realisieren. Nachteil der metallischen Träger ist jedoch deren hohes Gewicht.

Alternativ ist es zum Beispiel aus DE-A 103 29 461 bekannt, einen Motorträger aus einem faserverstärkten Kunststoff zu bilden. Als besonders geeignet werden kohlefa- serverstärkte Kunststoffe bezeichnet. Um eine hinreichende Festigkeit gegenüber den statischen und dynamischen Belastungen, die auf den Träger wirken, zu erzielen, ist es jedoch notwendig, den Träger in einer großen Wandstärke auszubilden. Im Allgemeinen wird für den Träger eine konstante Wandstärke angesetzt. Die gegenüber Metallen geringere Festigkeit von faserverstärkten Kunststoffen führt dazu, dass die Wandstärke größer sein muss als bei vergleichbaren Trägern aus metallischen Werkstoffen. Hieraus resultiert ein vergrößerter Bauraumbedarf bei Einsatz der kohlefaserverstärkten Motorträger.

Die Auslegung von Wandstärken für eine einmalige, plötzliche Belastung ist zum Bei- spiel aus S. Glaser, A. Wüst, „Modellierung am Computer", Kunststoffe 3/2005, Seiten 132-136, bekannt. Hierbei wird das Verhalten von Trägern aus faserverstärktem Polymermaterial bei einem Auffahrunfall eines Kraftfahrzeuges simuliert. Die Simulation ermöglicht es, eine auf das Crashverhalten des Kraftfahrzeuges optimierte Auslegung der Wandstärke von beanspruchten Teilen zu bestimmen. So werden stärker bean- spruchte Bereiche in einer größeren Wandstärke ausgeführt und weniger beanspruchte Teile in einer geringeren Wandstärke. Durch die Anpassung der Wandstärke an die Belastung des Bauteils lässt sich auf diese Weise ein an den Bauraum optimiertes Bauteil herstellen.

Ein entsprechend ausgelegter Träger weist jedoch nur eine ausreichende Crashfestig- keit auf. Eine hinreichende Festigkeit durch statische und/oder dynamische Belastung, die durch den auf dem Träger aufliegenden Motor aufgebracht wird, wird nicht berücksichtigt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, durch welches die Wandstärke eines dauerhaft statisch und/oder dynamisch belasteten Trägers an die auf den Träger aufgebrachte Belastung angepasst wird, um eine hinreichende Festigkeit des Trägers zu erzielen.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Auslegung der Wandstärke dauerhaft statisch und/oder dynamisch belasteter Bauteile, wobei die Bauteile aus einem faserverstärkten Polymermaterial gefertigt sind, umfassend folgende Schritte:

(a) Bestimmung der Orientierung der Fasern in faserverstärktem Kunststoff und der Bindenähte im Bauteil durch eine erste Simulationsrechnung,

(b) Berechnung eines Ausnutzungsgrades der Festigkeit des Bauteils durch eine zweite Simulationsrechnung,

(c) Anpassen der Bauteilgeometrie und/oder der Lage des mindestens einen Anspritzpunktes des Bauteils an das Ergebnis der zweiten Simulationsrechnung, wobei eine Verringerung der Wandstärke erfolgt, wenn der Ausnutzungsgrad ei- nen vorgegebenen oberen Grenzwert übersteigt und eine Erhöhung der Wandstärke erfolgt, wenn der Ausnutzungsgrad einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet,

(d) Wiederholen der Schritte (a) bis (c), wenn in Schritt (c) eine Änderung der Bau- teilgeometrie und/oder der Lage des mindestens einen Anspritzpunktes durchgeführt wurde.

Polymere zeigen ein ausgeprägtes, nicht lineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten bei hohen Beanspruchungen. Dieses Verhalten ist im Allgemeinen stark von der Dehnge- schwindigkeit abhängig. So werden bei großen Dehngeschwindigkeiten sehr viel höhere Streckspannungen erreicht als bei langsamer Beanspruchung. Zudem ist die Streckspannung bei vielen Polymeren im Druckbereich deutlich höher als im Zugbereich. Darüber hinaus bleiben bei großen Dehnungen inelastische Anteile, die bei Entlastung nicht mehr vollständig relaxieren. Kunststoffe zeigen somit sehr komplexes, nicht linear-viskoplastisches Verhalten. Faserverstärkte, thermoplastische Werkstoffe zeigen bessere mechanische Eigenschaften als unverstärkte Thermoplaste und sind aus diesem Grund für tragende Strukturen von Interesse. Die mechanischen Eigenschaften der faserverstärkten thermoplastischen Werkstoffe sind jedoch nicht mehr isotrop, da durch den Verarbeitungspro- zess, insbesondere beim Spritzgießen, die Fasern von der Strömung orientiert werden. Dies führt zu einem anisotropen, d. h. richtungsabhängigen mechanischen Verhalten der Steifigkeit, Streckspannung und der Bruchdehnung des Materials.

Im Unterschied zu der aus dem Stand der Technik bekannten Crashsimulation, bei der zwar hohe Beanspruchungen auftreten, die jedoch im Allgemeinen aufgrund der Geschwindigkeit, mit der ein Crash erfolgt, bei einer hohen Dehngeschwindigkeit ablaufen, muss bei dauerhaft statischen und/oder dynamisch belasteten Bauteilen insbesondere auch die konstante Beanspruchung berücksichtigt werden. Eine plötzliche große Dehngeschwindigkeit tritt nicht auf. Dies führt auch dazu, dass die Streckspan- nung durch die dauerhafte statische und/oder dynamische Belastung, wie sie bei belasteten Bauteilen auftritt, sehr viel geringer ist und somit bereits eine kleine Belastung zu einem Versagen des Bauteils führen kann. Dieses Verhalten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Auslegung der Wandstärke berücksichtigt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Bauteilgeometrie an die lokal auftretende Belastung angepasst werden. Unter Bauteilgeometrie im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel die Wandstärke, Rippenhöhe und Form des Bauteils verstanden. So können zum Beispiel Bereiche des Bauteils, in denen eine geringe Belastung auftritt, in einer geringeren Wandstärke ausgeführt werden und Bereiche des Bau- teils, die einer höheren Belastung unterliegen, in einer größeren Wandstärke. Durch diese Auslegung lässt sich einerseits Material und damit Gewicht einsparen, andererseits ist dadurch, dass die Wandstärke des Bauteils an die entsprechende lokale Belastung angepasst wird, eine Reduzierung des erforderlichen Bauraumes möglich.

Die Bestimmung der Orientierung der Fasern und der Bindenähte in Schritt (a) erfolgt vorzugsweise durch Simulation des Herstellungsprozesses des Bauteils. Neben der Orientierung der Fasern und der Bindenähte werden durch die Simulation des Herstellungsprozesses ebenfalls am Prozess beteiligte Größen, wie Druckverteilung und Temperatur ermittelt.

Im Allgemeinen ist die Orientierungsverteilungsdichte der Fasern im Bauteil inhomogen und hängt vom Herstellungsprozess ab. Für einen Spritzgießprozess, wie er im Allgemeinen auch eingesetzt wird, um Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen, wird die Orientierungsverteilungsdichte der Fasern mittels numerischer Integration aus der erweiterten Jeffery-Gleichung, wie sie zum Beispiel in G.B. Jeffery, „The moti- on of ellipsoidal particles immersed in a viscous fluid", Proc. of the Royal Society of London, Series A, 1922, Seiten 161 bis 179 beschrieben ist, aus den Daten der Simulation des Spritzgießprozesses berechnet. Hierbei erhält man für jeden Ort im Bauteil einen Faserorientierungstensor, aus dem eine Näherung für die Orientierungsvertei- lungsdichte folgt.

Zur Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit des Bauteils durch die zweite Simulationsrechnung in Schritt (b) ist es erforderlich, das faserverstärkte Polymermaterial numerisch zu beschreiben. Die numerische Beschreibung erfolgt hierbei durch ein Materialgesetz, das auf einem viskoplastischen Ansatz für das Polymermaterial und auf einem elastischen Modell für die Fasern beruht, das mit einem mikromechanischen Modell zur Beschreibung des Werkstoffverbundes, d. h. des faserverstärkten Polymermaterials, kombiniert wird. Das Polymermaterial wird mit einem elastischplastischen Materialmodell beschrieben. Das plastische Potential enthält neben der allgemein üblichen ersten Invariante des Deviators des Spannungstensors auch einen Polynomansatz in der zweiten und der dritten Invariante. Die Fließregel ist nicht assoziiert formuliert. Das Potential enthält ebenfalls neben der ersten Invariante des Deviators auch Terme der zweiten und dritten Invariante. Die Viskosität wird formuliert, indem die Fließbedingung temporär verletzt werden kann. Die Rückprojektion auf die Fließfläche ist über einen viskosen Term zeitabhängig. Für dauerhafte Beanspruchung erreicht man die Lösung numerisch durch Iteration zu entsprechend langen Zeiten. Die Festigkeitshypothese für das Polymer beruht auf Versagensflächen, die ebenfalls neben der ersten Invariante auch die zweite und dritte Invariante des Spannungstensors enthalten. Die Dehnratenabhängigkeit geht in die Versagensbeschreibung über eine Gewichtung ein. Die Kalibrierung der Parameter des Modells erfolg aus Zug-, Scher- und Druckversuchen.

Für das Fasermaterial wird elastisch sprödes Verhalten angesetzt. Parameter sind hierbei die Steifigkeit und die Bruchspannung des Fasermaterials.

Das mikromechanische Modell des Werkstoffverbundes beruht auf einem Homogenisierungsverfahren nach Mori-Tanaka, beschrieben in T. Mori und K. Tanaka, „Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions", Acta Metallurgica, Vol. 21 , May 1973, Seiten 571 bis 574 und J. D. Eshelby,"The determina- tion of the elastic field of an ellipsoidal inclusion, and related problems", Proc. of the Royal Society of London, Series A, 1957, Seiten 376 bis 396. Hier werden die Beiträge zum Materialverhalten der beiden Phasen, das heißt Polymer und Fasern, miteinander numerisch gewichtet. Als Parameter gelten hier der Fasergehalt, die Geometrie und die Orientierungsverteilungsdichte der Fasern.

Durch das Materialgesetz lässt sich die Anisotropie durch die im Polymer enthaltenen Fasern, die Nicht-Linearität und die Dehnraten-Abhängigkeit resultierend aus dem Po- lymerwerkstoff, das zu der bekannten Zug-/Druck-Asymmetrie führt, sowie das Versagensverhalten ermitteln. Versagen tritt auf, wenn die Polymermatrix versagt, die Fasern brechen oder sich die Matrix von den Fasern löst. Zudem lässt sich das Materialgesetz auf einfache Weise mit einer Simulation für den Prozess koppeln.

Die Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit in Schritt (b) erfolgt durch ein übliches numerisches Verfahren. Derartige numerische Verfahren sind im Allgemeinen Finite-Differenzen-Verfahren, Finite-Elemente-Verfahren und Finite-Volumen- Verfahren. Bevorzugt wird zur Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit ein Finite-Elemente-Verfahren eingesetzt. Um die numerische Berechnung durchführen zu können, ist es notwendig, das Bauteil durch ein Gitternetz zu beschreiben. Hierzu wird die Kontur des Bauteils in Form eines Gitternetzes abgebildet. Übliche Gitternetze, die in Finite-Elemente-Verfahren eingesetzt werden, sind Dreiecksgitter und Rechtecksgitter. Die Maschenweite des Gitters, d. h. der Abstand zwischen jeweils zwei miteinander verbundenen Punkten, wird so gewählt, dass eine hinreichend genaue Abbildung des Bauteils durch das Gitternetz möglich ist. Komplexe Bereiche erfordern somit eine geringere Maschenweite, während in weniger komplexen Bereichen eine größere Maschenweite ausreichend ist. Da zur Festigkeitsberechnung nicht nur die Oberfläche des Bauteils ausreichend ist, sondern auch die inneren Bereiche modelliert werden müs- sen, wird das gesamte Bauteil in Form eines räumlichen Gitternetzes abgebildet.

Zur Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit werden die in der ersten Simulationsrechnung in Schritt (a) bestimmte Orientierung der Fasern im faserverstärkten Kunststoff und die Bindenähte auf das Gitternetz übertragen. Weitere Größen, die für die Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit erforderlich sind, sind Stoffgrößen des Kunststoffes und der Fasern. Insbesondere relevante Stoffgrößen sind beispielsweise E-Modul, Poissonzahl, Parameter für das plastische Potential, Viskositätsparameter und Bruchfestigkeiten des Polymers, Fasergeometrie und Delaminations- festigkeit sowie E-Modul, Poissonzahl und Zugfestigkeit der Fasern. Hierbei ist jeweils auch die Druck- und Temperaturabhängigkeit der einzelnen Stoffdaten zu berücksichtigen. Aus diesen Größen werden die festigkeitsrelevanten Kennwerte für das faserverstärkte Polymermaterial mittels des mikromechanischen Modells zur Beschreibung des Werkstoffverbundes berechnet.

Kunststoffe, die in dem faserverstärkten Polymermaterial eingesetzt werden, sind insbesondere thermoplastische Polymere. Bevorzugte Kunststoffe sind beispielsweise Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethersulfon (PES) und Polysulfon (PSU).

Fasern, die eingesetzt werden, sind insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern. Eingesetzt werden im Allgemeinen Kurzfasern, d. h. Fasern mit einer Faserlänge von weniger als 0,5 mm, bevorzugt von weniger als 0,4 mm. Es können jedoch auch Fasern mit einer Länge bis zu mehreren Millimetern, bevorzugt mit einer Länge bis zu 20 mm eingesetzt werden.

Das Herstellungsverfahren für das Bauteil ist im Allgemeinen ein Spritzgussverfahren. Die erste Simulationsrechnung, die zur Bestimmung der Orientierung der Fasern im faserverstärkten Kunststoff und der Bindenähte im Bauteil in Schritt (a) durchgeführt wird, ist somit eine Modellierung des Spritzgussprozesses. Hierzu werden im Allgemeinen die Einspritzdüse und das Spritzgusswerkzeug durch ein Gitternetz abgebildet. Durch die Modellierung wird der Einspritzvorgang der Fasern enthaltenden Polymermasse beschrieben. Hierzu ist es notwendig, den gesamten Einspritzvorgang, während dem Polymermasse in das Werkzeug eingespritzt wird, zu beschreiben. Neben der dreidimensionalen örtlichen Beschreibung des Werkzeugs ist somit auch ein zeitlicher Verlauf des Einspritzvorganges in das Werkzeug zu beschreiben. Aus dem zeitlichen Verlauf des Einspritzprozesses ergibt sich die zeitliche Orientierung der Fasern in der Polymermasse. Gleichzeitig wird hierdurch auch die Position der Bindenähte im Bauteil beschrieben.

Weitere Größen, die durch die Modellierung des Herstellprozesses beschrieben wer- den, sind insbesondere der Druckverlauf und der Temperaturverlauf. Der Druckverlauf und der Temperaturverlauf werden dabei sowohl zeitlich als auch örtlich dargestellt.

Nachdem aus den Stoffdaten, der Orientierungsverteilungsdichte der Fasern und der Lage der Bindenähte die festigkeitsrelevanten Kennwerte für das faserverstärkte PoIy- mermaterial im Bauteil bestimmt worden sind, ist es möglich, den Ausnutzungsgrad der Festigkeit zu bewerten. Hierzu wird eine Festigkeitssimulation am Bauteil durchgeführt.

Als Randbedingung für die Festigkeitssimulation wird die lokale Belastung auf das Bauteil eingesetzt. Um die notwendige Festigkeit, die das Bauteil aufweisen muss, bestim- men zu können, ist auch hier wieder der zeitliche Verlauf über einen großen Zeitraum zu bestimmen. Insbesondere wenn das Bauteil als Motorträger dient, ist hierbei auch eine dynamische Belastung, wie sie beispielsweise durch Motorvibrationen auftritt, zu berücksichtigen. Durch die Festigkeitssimulation werden die Schwachstellen des Bauteils bestimmt. So zeigt sich zum Beispiel, an welchen Stellen des Bauteils bei vorge- gebener Belastung beispielsweise ein Verbiegen oder ein Abscheren eintritt. Wenn die Schädigung am Bauteil bei einer Belastung eintritt, die niedriger liegt, als die Belastung, der das Bauteil ausgesetzt wird, so ist es erforderlich, die Wandstärke an diesen Stellen zu verstärken. Gleichzeitig ist es möglich, an den Stellen, an denen kein Versagen des Bauteils eintritt, eine niedrigere Wanddichte zu wählen. Auf diese Weise lässt sich die Wanddichte des Bauteils lokal an die jeweilige auftretende Belastung anpassen. Dies führt dazu, dass bei der späteren Produktion des Bauteils durch optimale Auslegung der Wandstärke Material eingespart werden kann, da nicht das gesamte Bauteil in maximaler Wandstärke gefertigt werden muss. Dies führt zu einer Gewichtsersparnis, wie sie insbesondere im Fahrzeugbau gewünscht ist, da zusätzliches Gewicht immer einen höheren Kraftstoffverbrauch bedingt. Zudem lässt sich auf diese Weise gegebenenfalls auch der Bauraum für das Bauteil optimieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Auslegung der Wandstärke von Motorträgern in einem Kraftfahrzeug. Neben der statischen Belastung aufgrund der Masse des Motors unterliegen die Motorträger in einem Kraftfahrzeug auch einer dauerhaften dynamischen Belastung durch Vibrationen, die vom Motor abgegeben werden. Zudem treten ungleichmäßige Belastungen bei der Fahrt des Kraftfahrzeuges auf. Diese sind zum Beispiel auf unterschiedliche Geschwindigkeiten, mit denen das Fahrzeug betrieben wird, Straßenverhältnisse, Beschleunigungs- und Bremsvorgänge zurückzuführen. Zur Auslegung der Wandstärke sind auch diese Beanspru- chungen des Trägers mit zu berücksichtigen. Die Beanspruchungen werden als Kraft- Randbedingung zur Lösung des Modells eingesetzt.

Bauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt werden können, sind zum Beispiel Träger, wie Motorträger im Kraftfahrzeug bau. Neben der Auslegung für Motorträger eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch beispielsweise auch zur Auslegung von Getriebebrücken, Fahrwerkslagern, Stangen und Stützen. Auch alle anderen hochbelasteten Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere aus glasfaserverstärktem Polyamid können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich ein Bauteil aus einem faserverstärkten Polymermaterial auslegen, der dauerhaft statisch und/oder dynamisch belastet ist, wobei das Bauteil eine Wandstärke aufweist, die an die lokale, auf das Bauteil wirkende Belastung angepasst ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung einer Pendelstütze,

Figur 2 einen modellierten Faserverlauf in einer Pendelstütze gemäß Figur 1 mit einem ersten Anspritzpunkt, Figur 3 Verteilung des Versagenswertes in einer Pendelstütze mit einer Faserverteilung gemäß Figur 2,

Figur 4 einen modellierten Faserverlauf in einer Pendelstütze gemäß Figur 1 mit einem alternativen Anspritzpunkt,

Figur 5 Verteilung des Versagenswertes in einer Pendelstütze mit einer Faserverteilung gemäß Figur 4.

Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer Pendelstütze, wie sie zum Beispiel im Kraftfahrzeugbau eingesetzt wird.

Üblicherweise werden Pendelstützen aufgrund der großen auf sie wirkenden Kräfte aus Metall hergestellt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Pendelstützen eine gro- ße Masse haben. Um den Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges zu senken, ist es jedoch gewünscht, die Masse des Kraftfahrzeuges zu senken. Eine Möglichkeit besteht darin, Werkstoffe mit geringerer Dichte, zum Beispiel Kunststoffe, einzusetzen. Kunststoffe haben jedoch im Allgemeinen eine geringere Festigkeit als Metalle, so dass insbesondere bei stark belasteten Bauteilen davon ausgegangen wird, dass diese bei Verwendung von Kunststoffen versagen.

Eine Pendelstütze 1 weist eine erste Durchgangsöffnung 3 und eine zweite Durchgangsöffnung 5 auf. Die erste Durchgangsöffnung 3 ist von einer ringförmigen Struktur 7 umschlossen. Zur Stabilisierung weist die ringförmige Struktur Rippen 9 auf. Hier- durch lässt sich die Wandstärke ringförmigen Struktur 7 reduzieren und damit Gewicht einsparen. An die ringförmige Struktur 7 schließt sich eine in radialer Richtung ein Stab 1 1 an. Der Stab 11 ist ebenso wie die ringförmige Struktur nicht massiv gefertigt, sondern in Form einer Doppel-T-Struktur, die mit Rippen 13 verstärkt ist. Am Ende des Stabes 11 ist die zweite Durchgangsöffnung 5 ausgebildet. Aufgrund der geringen Ab- messung in diesem Bereich ist die zweite Durchgangsöffnung 5 von einer massiven ringförmigen Wand 15 umschlossen.

Mit der zweiten Durchgangsöffnung 5 wird die Pendelstütze 1 fixiert. Im Betrieb wirkt auf die dem Stab 1 1 gegenüberliegende Seite der ersten Durchgangsöffnung 3 eine Kraft 17 in axialer Richtung. Für die nachfolgenden Darstellungen der Belastung auf die Pendelstütze 1 wird angenommen, dass die Kraft 17 eine Größe von 30 kN aufweist.

In Figur 2 ist eine Faserverteilung in einer Pendelstütze gemäß Figur 1 dargestellt. Die Pendelstütze wird aus einem faserverstärkten Kunststoff spritzgegossen. Als Kunststoff eignen sich insbesondere thermoplastische Kunststoffe. Besonders bevorzugt sind beispielsweise Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyethersulfon (PES) und Polysulfon (PSU).

Als Fasern werden insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern eingesetzt. Im Allgemeinen werden Kurzfasern, d. h. Fasern mit einer Faserlänge von weniger als 0,5 mm, bevorzugt von weniger als 0,4 mm verwendet. Es können jedoch auch Fasern mit einer Länge bis zu mehreren Millimetern, bevorzugt mit einer Länge bis zu 20 mm eingesetzt werden.

Die folgenden Berechnungen des Versagenswertes werden für ein Polyamid PA66 als Kunststoff, das mit Glasfasern mit einer mittleren Faserlänge von 0,3 mm verstärkt ist, (Ultramid® A3WG10CR der BASF AG) durchgeführt.

In Figur 2 ist zu erkennen, dass die Fasern 21 vom Anspritzpunkt 23 aus parallel zur Fließrichtung ausgerichtet sind. Hierdurch wird eine Ausrichtung der Fasern längs zur Belastungsrichtung der Pendelstütze 1 erzielt. Einzige Ausnahme bildet die Bindenaht 25. Die Bindenaht 25 ist der Bereich, in dem die Polymerschmelze, die während des Einspritzprozesses beidseitig die erste Durchgangsöffnung 3 umfließt, wieder zusammenfließt. Dies führt zu einer axialen Ausrichtung der Fasern im Bereich der Bindenaht 25. Eine potentielle Schwachstelle entsteht.

Figur 3 zeigt die Versagenswerte für eine Pendelstütze 1 mit einer Faserverteilung ge- maß Figur 2. Die größten Spannungen wirken auf die Pendelstütze 1 in dem Bereich, in dem der Stab 1 1 von der ringförmigen Struktur 7 abzweigt. Jedoch wird das Material der Pendelstütze 1 durch die Ausrichtung der Fasern 21 in diesem Bereich stabilisiert, so dass in dem Bereich, in dem der Stab 1 1 von der ringförmigen Struktur 7 abzweigt, kein Versagen zu erwarten ist. Allerdings tragen die Fasern 21 ist aufgrund ihrer Aus- richtung im Bereich der Bindenaht 25 nicht zur Stabilisierung der ringförmigen Struktur 7 bei. Die Spannung, die aufgrund der auf die Innenseite der ersten Durchgangsöffnung 3 wirkenden Kraft 17, auf die Bindenaht 25 wirkt, führt zu einem Versagenswert von 1 ,755. Dieser ist ausreichend, um zu einem Bruch der Pendelstütze 1 im Bereich der Bindenaht 25 zu führen.

In Figur 4 ist eine Faserverteilung in einer Pendelstütze mit einem alternativen Anspritzpunkt dargestellt.

Bei der in Figur 4 dargestellten Faserverteilung ist der Anspritzpunkt 31 im Bereich der ersten Durchgangsöffnung angeordnet. Dies führt dazu, dass die Fasern in dem Bereich der ringförmigen Struktur 7, die gegenüber dem Stab 1 1 liegt, und in dem in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform die Bindenaht 25 ausgebildet ist, in tangentialer Richtung ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung führt zu einer Stabilisierung der ringförmigen Struktur 7 in diesem Bereich.

Aufgrund der Anordnung des Anspritzpunktes 31 befindet sich die Bindenaht im Bereich der zweiten Durchgangsöffnung 5 auf der dem Stab 11 gegenüberliegenden Seite. Da jedoch aufgrund der Fixierung der Pendelstütze 1 in der zweiten Durchgangsöffnung 5 die dort wirkende Spannung geringer ist, als die Spannung, die auf die erste Durchgangsöffnung 3 wirkt, treten keine so großen Kräfte auf, dass der Versagenswert größer als 1 wird und damit ein Versagen, das heißt ein Bruch, der Pendelstütze in diesem Bereich auftritt.

Bei gleichbleibender Belastung, die auf die ringförmige Struktur wirkt, ist in diesem Fall, wie in Figur 5 dargestellt ist, auch der Versagenswert an der ringförmigen Struktur 7 überall kleiner als 1 , so dass kein Versagen der Pendelstütze eintritt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich somit eine Geometrie finden, bei der auch eine aus einem Kunststoff gefertigte Pendelstütze eine hinreichende Stabilität aufweist.

Neben der hier dargestellten Pendelstütze lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch auf jeden beliebigen anderen Träger und alle anderen hochbelasteten Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere aus glasfaserverstärktem Polyamid, anwenden.

Bezugszeichenliste

1 Pendelstütze

3 erste Durchgangsöffnung 5 zweite Durchgangsöffnung

7 ringförmige Struktur

9 Rippen

1 1 Stab

13 Rippen 15 ringförmige Wand

17 Kraft

21 Fasern

23 Anspritzpunkt

25 Bindenaht 31 Anspritzpunkt

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Auslegung der Wandstärke dauerhaft statisch und/oder dynamisch belasteter Bauteile, wobei das Bauteil aus einem faserverstärkten Polymermate- rial gefertigt sind, umfassend folgende Schritte:

a. Bestimmung der Orientierung der Fasern im faserverstärkten Kunststoff und der Bindenähte im Bauteil durch eine erste Simulationsrechnung,

b. Berechnung eines Ausnutzungsgrades der Festigkeit des Bauteils durch eine zweite Simulationsrechnung,

c. Anpassen der Bauteilgeometrie und/oder der Lage des mindestens einen Anspritzpunktes des Bauteils an das Ergebnis der zweiten Simulations- rechnung, wobei eine Verringerung der Wandstärke erfolgt, wenn der Ausnutzungsgrad einen vorgegebenen oberen Grenzwert übersteigt und eine Erhöhung der Wandstärke erfolgt, wenn der Ausnutzungsgrad einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet.

d. Wiederholen der Schritte (a) bis (c), wenn in Schritt (c) eine Änderung der

Bauteilgeometrie und/oder der Lage des mindestens einen Anspritzpunktes durchgeführt wurde.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Orientierung der Fasern und der Bindenähte in Schritt (a) der Herstellungs- prozess des Bauteils simuliert wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung des Ausnutzungsgrades der Festigkeit in Schritt (b) die Kontur des Bauteils in Form eines Gitternetzes abgebildet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Faserorientierung und die Bindenähte, die in Schritt (a) ermittelt wurden, auf das Gitternetz für die Berechnung des Ausnutzungsgrades übertragen werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den auf das Gitternetz für die Berechnung des Ausnutzungsgrades übertragenen Werten für die Faserorientierung und die Bindenähte festigkeitsrelevante Kennwerte bestimmt werden.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren für das Bauteil ein Spritzgussprozess ist.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff eine Matrix aus einem Polymermaterial, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polypropylen, Polyethylen, Polyethersulfon und Polysulfon und darin enthaltene Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Aramidfasern umfasst.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von weniger als 0,5 mm aufweisen.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern ungeordnet in der Matrix enthalten sind.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Motorträger in einem Kraftfahrzeug, eine Schiebebrücke, ein Fahrwerkslager oder eine Stange oder Stütze ist.

1 1. Bauteil aus einem faserverstärkten Polymermaterial, der dauerhaft statisch und/oder dynamisch belastet ist, wobei das Bauteil eine Wandstärke aufweist, die durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 an die lokale auf das Bauteil wirkende Belastung angepasst ist.