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L.F. Leidinger:
"An Early Phase Crashworthiness Assessment and Design Methodology for CFRP Vehicle Structures";
Betreuer/in(nen): F. Duddeck, H. J. Böhm; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2016; Abschlussprüfung: 14.12.2016.

Veränderte Kundenanforderungen an nachhaltige Mobilität und autonomes Fahren sowie die fortschreitende Elektrifizierung der Automobilantriebe verlangen nach neuartigen Fahrzeugkonzepten und innovativen Werkstoffen wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Es wird daher erwartet, dass CFK-Fahrzeugstrukturen in den nächsten Jahren an Bedeutung gewinnen werden. Aufgrund von Simulationsschwierigkeiten und erhöhter Unsicherheiten im Entwicklungsprozess findet man heute kaum Serienfahrzeuge mit energieabsorbierenden CFK-Crashstrukturen. Um diese Aspekte in den Griff zu bekommen, bedarf es neuer Ansätze in der Fahrzeugentwicklung.

Zur Simulation von CFK-Crashstrukturen wurde von BMW kürzlich ein neuartiger CFK-Konzept-Modellierungsansatz mit dem Crush-Simulationstool CZone entwickelt, der die Basis für Untersuchungen zur passiven Sicherheit von CFK-Fahrzeugkonzepten in der frühen Entwicklungsphase bildet. Auch Detailsimulationen und -optimierungen von CFK-Materialien auf Komponentenebene sind heute Stand der Technik. Der fehlende Baustein ist eine geeignete Methodik zur Bewertung der Crashtauglichkeit neuartiger Fahrzeugarchitekturkonzepte und zur Ableitung von Komponentenanforderungen für die Detailauslegung. Die in dieser Diplomarbeit entwickelte Crashworthiness Assessment and Design Methodology (CADM) schließt diese Lücke mit Hilfe verschiedener, untereinander verknüpfter Methoden. Die Load Path Monitoring (LPM) Methode bestimmt dabei die strukturelle Wirkungsweise von Fahrzeugen in Crashlastfällen anhand aktiver Lastpfade. Die Crash Performance Assessment (CPA) Methode ermöglicht außerdem die Beurteilung der Fahrzeugperformance in verschiedenen Crashlastfällen durch ein hierarchisches Penalty-Bewertungssystem basierend auf Strukturkriterien. Um crashtaugliche Fahrzeugkonfigurationen mit geringem Rechenaufwand ermitteln zu können, wurden effiziente Sampling-Methoden für multiple Lastfälle entwickelt. Aufgabe der Design Space Partitioning (DSP) Methode ist es, Modellkonfigurationen anhand ihrer strukturellen Wirkungsweise zu klassifizieren und entsprechende Designraumregionen zu identifizieren.

Unter Verwendung einfacher akademischer Beispiele und tatsächlicher Fahrzeuganwendungen, wurde die Validität der entwickelten Methoden und der zugrundeliegenden CFK-Konzept-Modellierung demonstriert. Für eine bestehende Fahrzeugstudie wurden alternative strukturelle Wirkungsweisen gefunden und bezüglich passiver Sicherheit bewertet. Basierend auf geeigneten Modellkonfigurationen wurden schließlich Komponentenanforderungen in Form von Designparameter- und Funktionaleigenschaftsintervallen abgeleitet.

Durch den CFK-Konzept-Modellierungsansatz und die entwickelte Crashworthiness Assessment and Design Methodology (CADM) ist es nun möglich, neuartige CFK-Fahrzeugkonzepte bereits in der frühen Phase hinsichtlich Crashtauglichkeit zu beurteilen und Komponentenanforderungen für die Detailauslegung zu bestimmen. Maßnahmen zur Steigerung der Aussagekraft von Komponentenanforderungen sowie mögliche Erweiterungen auf zusätzliche Materialien und Disziplinen werden im Ausblick dieser Arbeit diskutiert.

Changing customer demands on sustainable mobility and autonomous driving as well as the progressive powertrain electrification in automotive industry, require novel vehicle concepts and innovative materials. Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) vehicle structures are thus expected to gain in importance in the next few years. Today, no series production vehicles with main energy absorbing CFRP components can be found on the market, due to simulation difficulties and increased uncertainties in the development process. To overcome these issues, new development approaches are required.

Recent attempts of BMW to simulate CFRP vehicle crash structures resulted in a novel CFRP Vehicle Concept Modelling Approach, utilising the crush simulation tool CZone for Abaqus. This modelling approach provides the basis for passive safety analysis of CFRP vehicle concepts in the early design phase. Detailed simulations and optimisations of CFRP materials at the component level are nowadays also well-established. What is lacking is a methodology in between, to assess the crashworthiness of vehicle concepts and to provide component requirements for detail design phases. The Crashworthiness Assessment and Design Methodology (CADM) developed in this thesis closes this gap by means of several interconnected methods. The Load Path Monitoring (LPM) method was developed to determine the structural behaviour of a vehicle in crash load cases via its active load paths. Vehicle performance in multiple front crash load cases can be assessed through structural criteria and a hierarchic penalty rating system within the Crash Performance Assessment (CPA) method. In order to identify crashworthy vehicle configurations with low computational effort, Efficient Sampling methods considering multiple crash load cases were proposed. With the Design Space Partitioning (DSP) method, it is possible to classify model configurations with respect to structural behaviour and to identify corresponding design space regions. A strategy combining these methods in two phases was proposed.

Simple academic examples and full vehicle applications demonstrated the validity of the proposed methods and the CFRP Vehicle Concept Modelling Approach. For a given concept vehicle, alternative structural modes of operation were identified and assessed with respect to passive safety. Finally, component requirements based on suitable model configurations were derived in terms of design parameter and functional property intervals.

By means of the CFRP Vehicle Concept Modelling Approach and the proposed Crashworthiness Assessment and Design Methodology (CADM), it is now possible to assess the passive safety potential of novel CFRP vehicle concepts already in the early design phase and to provide component requirements for detail design phases. Improvements on the significance of component requirements and possible extensions to further materials and disciplines are discussed in the outlook of this thesis.