Zum Delaminationsverhalten asymmetrischer Sandwichsstrukturen mit dünnwandiger, metallischer Deckschicht

metallischer Deckschicht
Die Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen in Flugzeugstrukturen verursacht eine erhöhte Sensitivität dieser gegenüber Stabilitätsproblemen, welche zu interlaminaren Delaminationen in diesen Werkstoffen führen können. In der Folge werden solche Strukturen mit verhältnismäßig hohen Sicherheiten in Form von Materialwandstärken oder Versteifungen versehen.
Sandwichstrukturen können zur Lösung dieses Umstands beitragen, da sie durch ihre große Biegesteifigkeit und die elastische Hautbettung sowohl die globale Beulstabilität als auch lokales Hautfeldbeulen verbessern können. Demgegenüber steht ihr komplexes Schadenstoleranzverhalten, insbesondere in Bezug auf Delaminationen der Deckschichten. Der mehrlagige und oft verhältnismäßig dicke Aufbau führt dabei zu einer erschwerten Detektion von Hautablösungen und unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der Schadenstoleranz bei Sandwichstrukturen.
In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines Sandwichkonzepts für eine Verkehrsflugzeug-rumpfschale mit einer innenliegenden, hauptlasttragenden Kohlefaserdeckschicht, einem Polymer-Schaumkern sowie einer äußeren, dünnwandigen Aluminiumdeckschicht das Delaminations-verhalten von Sandwichschalen untersucht. Dabei liegt ein besonderer Fokus dieser Arbeit auf der plastischen Verformung der dünnen metallischen Deckschicht im Zuge ihrer Delaminations- und Beulprozesse sowie auf dem Einfluss der verbindenden Klebschicht. Beide Effekte werden vom gegenwärtigen Stand der Wissenschaft nicht hinreichend berücksichtigt.
Mittels numerischer, analytischer und experimenteller Untersuchungen von DCB-Proben mit Mode-I-dominierter Beanspruchung wird zunächst eine bruchmechanische Charakterisierung des verwendeten Sandwichverbunds durchgeführt. Dabei sind einerseits verhältnismäßig hohe Streuungen im Verformungs- und Versagensverhalten sowie in den gemessenen Risszähigkeiten zu beobachten. Andererseits wird ein signifikanter Einfluss der Materialplastizitäten auf den Delaminationsfortschritt unter Belastung deutlich: Während das statische Wachstum der Ablösungen durch die plastische Verformung gehemmt wird, ist im zyklischen Fall eine Beschleunigung zu beobachten. Die Klebschicht führt in einigen Fällen zu einer Erhöhung der Risszähigkeiten.
Darauf aufbauend werden kreisrunde, flächig delaminierte Sandwichproben unter in-plane-Druckbelastung analysiert. Das Wachstum ihrer Deckschichtablösungen erfolgt zumeist plötzlich sowie instabil und reduziert die ertragbare Last mit zunehmender Delaminationsgröße. Dagegen ist der Einfluss der plastischen Deckschichtverformung für kleine Delaminationen ausgeprägter als für große. Für die numerische Analyse der flächig delaminierten Proben wird ein parametrisches FE-Modell erstellt, welches unabhängig von der verwendeten FE-Umgebung in bestehende FE-Strukturen eingebunden werden kann und für die Vorhersage des Delaminationsfortschritts genutzt werden kann. Dabei zeigt sich, dass das Verformungs- und Beulverhalten der Aluminiumdeckschicht gut wiedergegeben werden kann und die experimentell bestimmten Risszähigkeiten ein gutes Versagenskriterium darstellen.
Abschließend werden zerstörungsfreie Prüfmethoden genutzt, um mögliche qualitative und quantitative Detektionen und Evaluierungen der Deckschichtdelamination zu überprüfen. Sowohl Ultraschall als auch Thermografie sind durch eine zügige Aufnahmeleistung gekennzeichnet, produzieren jedoch keine hinreichend genauen Ergebnisse.