Der Weg von der Stahl-Schalen-Bauweise zum Stahl-Space-Frame
The way from the steel-sheet-design to the steel-space-frame
Stahl 2000, 16. und 17. November 2000, Düsseldorf
Steel for the Automotive Industry, November 16th and 17th 2000, Düsseldorf
Prof. Dr.-Ing.H. Wallentowitz,
Dr.-Ing. L. Patberg,
Dipl.-Ing. D. Schwarz
Der Beitrag gibt die Entwicklungstendenzen von Karosserie-Bauweisen
wieder, die von der Stahl-Schalen-Bauweise hin zum Stahl-Space-Frame
zu gehen scheinen. Es werden Verbesserungspotentiale bisheriger
konventioneller Konstruktionen aufgezeigt. Die von der
Fahrzeugindustrie bereits angewendeten Bauweisen
(z. B. Bodengruppe A-Klasse) sowie die von der Stahlindustrie in
Auftrag gegebene Studie ULSAB [1] sind als Weiterentwicklung der
Stahl-Schalen-Bauweisen zu betrachten. Jedoch ist im Hinblick auf die
mit Aluminium realisierten Gewichtseinsparungspotentiale von ca. 40
eine weitere Gewichtsreduzierung wünschenswert. Aufgrund von
günstigeren Materialkosten für Stahl und bei Betrachtung der
Leichtbaukriterien für Fahrzeugkarosserien erscheint die
Stahl-Space-Frame-Bauweise in Verbindung mit modernen
Stahlhalbzeugen, eine sinnvolle und logische Fortentwicklung der
Stahlschalenbauweise zu sein. Die Karosserie ist dann im Prinzip
eine Gitterstruktur, die aus Profilen und Knotenelementen aus
Stahlblech sowie alternativen Werkstoffen, z.B. im Bereich der
Beplankung besteht. Hier sind jedoch noch eine Vielzahl von
konstruktiven, herstellungs- und verbindungstechnischen
Fragestellungen zu lösen. Dabei werden zunehmend computergestützte
Werkzeuge helfen, optimierte Leichtbaukonstruktionen zu realisieren.
Bei der Crash- und Festigkeitsberechnung wird es in Zukunft
notwendig sein, die während des Herstellungsprozesses entstehenden
Dehnungen und Vorspannungen mit zu berücksichtigen. Zu dieser
Thematik werden derzeit Untersuchungen durchgeführt und Methoden
entwickelt, um beispielsweise Blechdicken und Eigenspannungen aus
der Umformsimulation in Crash-, Festigkeits- und
Betriebsfestigkeitsanalysen berücksichtigen zu können. Es werden
darüber hinaus zunehmend neue computergestützte Werkzeuge zur
Topologie- und Topographieoptimierung Anwendung finden, um die
dünnwandigen Blechschalen effizient zu versteifen. Am Beispiel der
Entwicklung einer Stahl-Space-Frame-Karosserie werden die
Einsatzgebiete der Topologie- und der Topographieoptimierung
gezeigt. Dabei wird exemplarisch die Vorgehensweise für die
Optimierung von Blechfelder und Rahmenprofilen kurz dargestellt.
The article shows the tendencies in the development of concepts of
body structures which seem to go from the steel-sheet-design to the
steel-space-frame. In this context suggestions for improvement of
conventional constructions are presented. The designs already used by
the vehicle industry, e.g. the Mercedes A-Class`s floor assembly, and
the ULSAB study ordered by the steel industry should be seen as an
evolution of the steel-sheet-design. But facing a weight saving
potential of 40% realized by the use of aluminium, a further weight
reduction is to be desired. On the basis of both, the criteria for
lightweight design in body structures and the lower material cost of
steel, a steel-space-frame joined by modern steel semi-finished
products is a useful and logical continuation of the
steel-sheet-design. The body is - in principle - a skeleton structure,
which consists of profiles and nodes of steel sheets and alternative
materials e.g. in the field of the cladding. In this context many
constructive, processive and connective questions are still to be
solved. Computer-aided tools will help to realize optimized
lightweight design. In the future it will be necessary for the crash
and strength structural analysis to consider elongations and initial
stresses which are generated during the manufacturing process.
According to this subject research is conducted and methods regarding
the thicknesses of sheets and internal stresses from the transforming
simulation in the analysis of crash, strength and durability strength
are developed. Furthermore, new computer-aided tools for the
optimization of the topology and topography will be used to make
thin-walled sheets stiffer efficiently. The field of application for
topology and topography optimization is shown examplary in the
development of a steel-space-frame. Additionally, there is a brief
presentation of the approach for the optimization of steel sheets and
frames.
