Autor: Peter Geuting

Einen Ansatz der modernen Leichtbaustrategie für Fahrzeugrohbauten stellen kostengünstige Sandwich-Strukturen mit Polystyrolschaumkern und Aluminiumdeckschichten dar. Das Leichtbaupotenzial dieser Sandwich-Strukturen im Stadtbusrohbau wird mithilfe einer Rohbaukonzeptbewertung untermauert, bei der ein Sandwich-Konzeptbus höhere Torsionssteifigkeiten bei geringerer Masse aufweist als konventionelle Stadtbusrohbauten in Profilbauweise. Für einen Einsatz von Sandwich-Strukturen mit kostengünstigem Polystyrolschaumkern im Stadtbus müssen diese hinsichtlich der Betriebsfestigkeit ausgelegt werden können. Die Ermüdungseigenschaften von Polystyrolschäumen sind jedoch weitgehend unerforscht. Daher werden im Zuge dieser Arbeit die Ermüdungseigenschaften eines Polystyrolschaums anhand verschiedener Beanspruchungszustände untersucht und ein Ermüdungsfestigkeitskriterium aufgestellt, das die Grundlage für eine Betriebsfestigkeitsauslegung des Polystyrolschaums bildet. Dafur werden zunächst die quasi-statischen Eigenschaften des Polystyrolschaums untersucht und ein linear-elastisches, orthotropes Materialmodell entwickelt, das zwischen einem hydrostatischen Zug- und Druckbeanspruchungszustand unterscheiden kann. Um das Deformations- und Versagensverhalten nachvollziehen zu können, wird ein einzelliges FE-Modell der Schaummikrostruktur basierend auf der Schaummorphologie aufgebaut. Mit Hilfe des Mikrostrukturmodells können die Steifigkeits- und Festigkeitsunterschiede in Zug- und Druckbeanspruchung sowie die Anisotropie erklärt und das Versagensverhalten unter Schubbeanspruchung beschrieben werden. Im Anschluss werden Ermüdungsversuche in den Hauptorthotropierichtungen und -ebenen mit verschiedenen Mittelspannungsverhältnissen unter Zug-, Druck- und Schubbeanspruchungen am Polystyrolschaum und unter realitätsnahen Beanspruchungen im Sandwich-Verbund mit Polystyrolschaumkern durchgefuhrt. Dabei werden verschiedene Versagensarten und -höhen zwischen Zug- und Druckbeanspruchung festgestellt, die zum Teil abhängig von der Beanspruchungshöhe sind und mit Hilfe der Mikrostruktursimulationsergebnisse erklärt werden können. Im letzten Schritt wird ein Ermüdungsfestigkeitskriterium auf Basis des Tsai-Wu-Kriteriums aufgestellt und angewendet. Abschließend wird das Ermüdungsfestigkeitskriterium mit dem erweiterten orthotropen Materialmodell zur Ermüdungsfestigkeitsabschätzung des Sandwich-Konzeptbusses verwendet.