Zum Delaminationsverhalten asymmetrischer Sandwichsstrukturen mit dünnwandiger, metallischer Deckschicht

Zum Delaminationsverhalten asymmetrischer Sandwichsstrukturen mit dünnwandiger, metallischer Deckschicht von Martin,  Pietrek
As fiber-reinforced plastics are sensitive for interlaminar delaminations in stability-driven prob-lems the use of those in aircraft structures also leads to a higher sensitivity of these structures for stability. Consequently, such airframes are designed with relatively high safeties, e.g. in wall thicknesses or stiffeners. Sandwich structures may contribute to a solution of this circumstance. Their large bending stiffness and the elastic foundation of the skins can improve the global buckling stability as well as local skin buckling. On the other hand, they are characterized by a complex damage tolerance behavior regarding skin delaminations. Usually, their layup is relatively thick and composed of multiple layers. This leads to an impeded detection capability of skin delaminations and empha-sizes the importance of understanding the damage tolerance behavior of sandwich structures. In this work, the delamination behavior of sandwich structures is analyzed using a sandwich concept for a transport aircraft fuselage. It consists of an inner, main-load-carrying carbon-fiber-reinforced plastic skin, a polymer foam core and an outer thin-walled aluminium skin. A special focus of the work is put on the plastic deformation of the thin-walled metallic skin during its delamination and buckling processes as well as on the influence of the adhesive layer. Both effects have not been considered sufficiently by the current state of science so far. Initially, the used sandwich composite is characterized regarding its fracture mechanics by numerical, analytical and experimental investigations of DCB-specimens with mode-I-dominated loading. On the one hand, relatively high variances of the deformation and failure behavior as well as the fracture toughnesses can be examined. On the other hand, a significant influence of the material plasticities on the delamination growth becomes obvious: While the static delamination growth is impeded by plastic deformation, the cyclically loaded growth is accelerated. The adhesive layer leads to higher fracture toughnesses in some cases. Furthermore, circular delaminated sandwich specimens are analyzed under in-plane-compression loading. The growth of their skin delaminations mostly occurs suddenly and instable. It reduces the bearable load with increasing delamination size. Contrary, the influence of plastic skin deformation is more pronounced for smaller delaminations. For the numerical analy¬ses of the delaminated sandwich specimens a parametric FE-model is created. It may be implemented in existing FE-structures regardless of the FE-environment and may be used for the prediction of delamination growth. It can be shown that the deformation and buckling behavior of the aluminium skin is reproduced correctly and the experimentally determined fracture toughnesses deliver a decent failure criterion. Finally, non-destructive testing is used for the qualitative and quantitative detection and eval-uation of the skin delaminations. Ultrasonic testing as well as thermography are characterized by a fast test rate but do not produce sufficiently exact results.
Aktualisiert: 2022-01-13
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Theorie und Numerik interlaminarer Spannungen und Delaminationen in geschichteten Verbundschalen

Theorie und Numerik interlaminarer Spannungen und Delaminationen in geschichteten Verbundschalen von Knust,  Gregor
Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ersetzen Verbundwerkstoffe zunehmend klassische metallische Materialien. Aus diesem Grund stellt die Simulation von faserverstärkten Kunststoffen durch numerische Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode ein stetig wachsendes Forschungsfeld dar. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur Modellierung dieser Materialien. Es wird ein Schalenelement zur Berechnung von geschichteten Strukturen vorgestellt, das auf einem Mehrfeldfunktional basiert. Das Verschiebungsfeld beinhaltet neben den Anteilen aus der Reissner-Mindlin-Theorie zusätzliche Verwölbungen und Verschiebungen senkrecht zur Schalenfläche. Durch diese Größen ist es möglich, interlaminare Schub- und Normalspannungen zu bestimmen. Ein isotropes Schädigungsmodell für kleine Verzerrungen wird in einer Zwischenschicht für die Bestimmung von Delaminationen verwendet. Anhand mehrerer numerischer Beispiele wird die Leistungsfähigkeit der Elementforumlierung und der Vorteil gegenüber der Verwendung von Volumenschalenelementen in Bezug auf die Rechenzeit verdeutlicht.
Aktualisiert: 2021-10-27
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Untersuchungen zum Bohrschleifen faserverstärkter Werkstoffe

Untersuchungen zum Bohrschleifen faserverstärkter Werkstoffe von Christian,  Rautert
In Untersuchungen zur Bohrungsfertigung in faserverstärkte Werkstoffe wird gezeigt, dass die Verwendung diamantbelegter Schleifstifte eine ökonomisch sinnvolle Alternative zu konventi-onellen Bohrwerkzeugen darstellt. Die dafür notwendigen Schritte der Werkzeug- und Pro-zessentwicklung umfassen die Optimierung Schleifbelags, die Verwendung einer Kombinati-on aus Minimalmengenschmierung und Kühlung mit Kohlenstoffdioxid sowie die Variation der Prozesskinematik.
Aktualisiert: 2019-03-15
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Simulationsmodell zur Entstehung und Detektion von Schäden in Faserverbundstrukturen

Simulationsmodell zur Entstehung und Detektion von Schäden in Faserverbundstrukturen von Guder,  Sebastian
Auf dem Weg, das Leichtbaupotential von Faserverbundwerkstoffen vollständig ausnutzen zu können, stellt die Simulation der Schadensentstehung und die Detektion vorhandener Schäden eine aktuelle Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein zweidimensionales Simulationsmodell entwickelt, das die Entstehung eines Schadens durch ein Kohäsivzonenmodell und die Detektion mittels der aktiven Thermographie beinhaltet. Es können am Beispiel von Double cantilever beam (DCB), End-noteched flexure (ENF) und Mixed-mode bending (MMB)-Versuchen beim Risswachstum eine gute Übereinstimmung mit analytischen Lösungen erzielt werden. Der entstehende Riss wird im transienten Modell der Thermographiesimulation mit Luft- bzw. Teflonelementen gefüllt und die Temperaturverläufe innerhalb des Bauteils und an der Oberfläche modelliert. Dabei können die vielversprechenden Eigenschaften der Thermographie als zerstörungsfreies Prüfverfahren verifiziert werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Beitrag zur experimentellen und simulativen Beschreibung der Delaminations-Initiierung an bauteilnahen Faserverbund-Geometrien

Beitrag zur experimentellen und simulativen Beschreibung der Delaminations-Initiierung an bauteilnahen Faserverbund-Geometrien von Frede,  Daniel
Im Rahmen dieser Dissertation wird die Delaminations-Initiierung an gekrümmten CFK-Bauteilen untersucht. Ziel ist es, eine Methodik auf Basis einer FEM-Simulation zur Vorhersage der maximalen Beanspruchbarkeit zu entwickeln. Diese Methode soll auf experimentellen Ergebnissen begründet und validiert sein. Die dazu notwendigen Versuche zur Erzeugung von Delaminationen beinhalten verschiedene Lastfälle, die eine interlaminare Beanspruchung in Form von Zug- und Schubspannung hervorrufen. Die experimentellen Untersuchungen dienen der Ermittlung der interlaminaren Beanspruchungsgrenzen bzgl. Delamination. Dabei werden die Einflussfaktoren auf die Beanspruchbarkeit gekrümmter Bauteile bis zur Delaminations-Initiierung untersucht. Die ermittelten Versuchsergebnisse zeigen deutliche Einflüsse durch die geometrischen Randbedingungen, also Dicke und Krümmungsradius der Probe, aber auch durch den Lagenaufbau. Weiterhin wird anhand von ARCAN-Proben und verkleinerter Zugproben in Dickenrichtung des Laminates ein Vergleich zwischen gekrümmten und ebenen Strukturen unter Zugbeanspruchung in Dickenrichtung hergestellt. Zur Prognose der Delaminations-Initiierung werden die experimentellen Ergebnisse mit diversen klassischen Versagenskriterien, wie z.B. dem Wirkebenen-Kriterium nach Puck, verglichen. Da keines der untersuchten Kriterien eine ausreichende Prognosegüte erzielt, wird ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Delaminations-Initiierung auf Basis der experimentellen Ergebnisse bestimmt. Die zuvor genannten Einflussfaktoren, wie z.B. der Krümmungsradius, werden dabei berücksichtigt. Die so entwickelte experimentell abgesicherte Simulations-Methode kann sowohl auf Basis von 3D-Solid-Elementen als auch von Schalen-Elementen eine Prognose der Delaminations-Initiierung ermöglichen. Damit soll schon in einer frühen Konstruktionsphase die Aufmerksamkeit auf mögliche delaminations-kritische Bereiche in Faserverbund-Bauteilen gelenkt werden. Zudem kann der Leichtbaugrad in weniger kritischen Bereichen durch eine Reduktion der Materialstärke und damit durch eine erhöhte Ausnutzung des Werkstoffs maximiert werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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