Beitrag zur konstruktiven Gestaltung offener, verrippter Profile aus Faser-Thermoplast-Verbunden mit lastpfadgerechten Verstärkungen

Diese Arbeit gibt Gestaltungsempfehlungen für offene, verrippte Faser-Thermoplast-Profile. Hierfür wird bereits bei einer Analyse der Profilbeanspruchungen in Rahmenwerken angesetzt. Es zeigt sich, dass Biegeanforderungen an Profile deutlich über Torsionsanforderungen priorisiert sind. Dieses Eigenschaftsspektrum lässt sich besonders wirtschaftlich abdecken durch offene Fließpressprofile aus kostengünstigen Wirrfaserformmassen, kombiniert mit unidirektionalen Haupt-Lastpfad-Verstärkungen (HLV) in den zug-/druckbeanspruchten Gurten.

Die Mechanik der offenen, verrippten Profile wird kurz beleuchtet und eine einfache analytische Lösung der dominanten Querkraftbiegung vorgestellt. Ausführliche FE-Parameterstudien und Optimierungsergebnisse sind zu kompakten, anwendbaren Gestaltungshinweisen zusammengefasst. Im experimentellen Teil ist sowohl die fertigungstechnische Umsetzbarkeit als auch die hohe erreichbare Leichtbaugüte bei gelungener Konstruktion dargestellt: Offene HLV-Profile erreichen in Biege- und Torsionsversuchen etwa das Niveau geschlossener Referenzquerschnitte.

Abschließend vorgestellt sind hierbei erarbeitete, neue Maßnahmen gegen die erhöhte Kerbwirkung von Rippen an FKV sowie gegen das Verschwimmen der UD-Schichten im Pressprozess.

This work focuses on design guidelines for open, ribbed beams made from fibre reinforced thermoplastics. An initial analysis of beam members in frameworks yields dominant bending requirements over torsional ones. These characteristics are most economically met using open section, compression moulded beams from affordable random fibre thermoplastics; unidirectionally reinforced main load paths (flanges) ensure maximized bending properties.

A mechanical analysis of the dominant bending load case along with elaborate FEA parameter studies and optimization results are then compacted into applicable design guidelines. The following experimental section shows the manufacturability and lightweight performance of prototypes: Open, main load path reinforced profiles match closed section reference beams.

Finally, new measures against the increased notch effect of ribbed FRP parts and against undesired deformation of UD laminae during compression moulding are presented.