Lucas Ost schrieb 2020 die beste Masterarbeit an der Fakultät 3

Im Rahmen seiner Arbeit untersucht und erarbeitet Lucas Ost wichtige Grundlagen für die Berücksichtigung von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) Komponenten und deren Imperfektionen für die Entwicklung von Bauteilen in der Luftfahrt. Durch die genaue Vorhersage von Material- und Strukturverhalten wird es möglich, eine Reduzierung von Eigengewicht, eine bessere Beurteilung von experimentell ermittelten Materialkennwerten und eine Einschätzung vor sicherheitsrelevanten Faktoren für bereits nahezu vollständig gewichtsoptimierte Bauteile in Luft- und Raumfahrt zu erreichen.

Lucas Ost untersuchte in seiner Arbeit die Auswirkung von Imperfektionen auf die Bestimmung elastischer Materialkennwerte im Zug- und Druckversuch sowie auf das Beul- und Nachbeulverhalten eines unversteiften Zylinderausschnittes mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die Arbeit umfasst zudem eine Zusammenfassung möglicher analytischer Ansätze zur Beschreibung der Stabilität und Verformung von isotropen Stäben unter thermischen und mechanischen Lasten. Es wird eine Übersicht gängiger Materialmodelle zur Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften von anisotropen CFK-Materialien gegeben und eine Methode erarbeitet, mit der die Unsicherheit eines gemessenen Materialkennwertes aufgrund erwarteter schwankender Imperfektionen mittels FEM-Berechnungen geschätzt werden kann.

Durch die Automatisierung von FEM-Berechnungen mittels Skripten und der Darstellung des komplexen Material- und Verformungsverhaltens ist der technisch-wissenschaftliche Nutzen der Untersuchungen als außerordentlich hoch einzuschätzen.

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Die Einsparung von Gewicht, Material und Treibstoff ermöglichen es, im Verkehrswesen Umweltbelastung und Kosten massiv zu reduzieren, beispielsweise in der Luftfahrt. Ein bedeutender Ansatz für das Erreichen dieser Ziele ist die Konstruktion und der Einsatz von Leichtbauelementen. Neben der Anwendung optimierter Geometrien werden die notwendigen Eigenschaften an die Konstruktionen, deren Festigkeit und Sicherheit, durch den Einsatz hochleistungsfähiger Werkstoffe erzielt.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind mit ihren hohen spezifischen Steifig- und Festigkeiten prädestinierte Materialien. Allerdings können bereits geringe Abweichungen zw. Faserausrichtung und Lastpfad, z. B. durch Imperfektionen, das Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten negativ beeinflussen. Solche Imperfektionen sind unteranderem Abweichungen der Geometrie, Lasteinleitungen, Randbedingungen und angestrebter Temperaturverteilungen sowie Fehler der Faserorientierung. Durch eine genaue Beschreibung des Einflusses dieser Größen auf das strukturmechanische Verhalten, können Sicherheitsfaktoren und somit der Materialeinsatz erheblich reduziert werden.

Die Ergebnisse der Arbeit umfassen fundierte Beschreibungen des Einflusses ausgewählter Imperfektionen und stellen eine wichtige Grundlage zur Berücksichtigung in der Konstruktion und der daraus resultierenden Ressourceneinsparung dar.