Das Produktblatt als PDF zum Download.

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F ü R M i k rostru k tur v on W er k stoffen un d S y stemen I M W S
1
1 SCB (Single Cantilever Beam)
Versuch zur Bestimmung der
Interface Bruchzähigkeit
Fraunhofer-Institut für
SCHADENSTOLERANZ VON
CFK-SCHAUMSANDWICHSTRUKTUREN
Motivation
Mikrostruktur von Werkstoffen und
Systemen IMWS
mithilfe zerstörungsfreier Prüfverfahren
zu entdecken. Insbesondere für hoch-
Sandwichstrukturen weisen sehr hohe
belastete, tragende Sandwichstrukturen in
gewichtsspezifische Biegesteifigkeiten
Luftfahrzeugen besteht ein großes Interesse
Walter-Hülse-Straße 1
und -festigkeiten auf. Die Kombination
an der Bewertung kritischer Fehlergrößen
06120 Halle (Saale)
von geschlossenzelligen Hartschäumen als
in der Anbindung zwischen Deckschicht
Sandwichkern und faserverstärkten Kunst-
und Kern. Ziel ist die Vermeidung einer
Ansprechpartner
stoffen als Deckschichtmaterial ermöglicht
weiteren Schadensausbreitung im Betrieb,
Dr.-Ing. Marianne John
es, komplex geformte Sandwichstrukturen
um Design-Richtlinien für die Auslegung
Telefon +49 345 5589-283
kostengünstig herzustellen. Ressourcen-
und Inspektionsvorschriften für den Betrieb
[email protected]
effiziente Sandwich-Leichtbaustrukturen
der Struktur zu definieren.
werden daher zunehmend in der Luftfahrt,
Aufgabenstellung
Dr.-Ing. Ralf Schlimper
im Automotivbereich, im Schienenfahr-
Telefon +49 345 5589-263
zeugbau und in Windkraftrotorblättern
[email protected]
eingesetzt. Eine fehlerhafte Anbindung der
Im Airbus F&E-Projekt »Seitenleitwerk neue
Deckschicht an den Kern (Delamination)
Generation (VTP-NG)« wird die Eignung der
kann die Stabilität einer Sandwichstruktur
CFK-Schaumsandwich-Bauweise als Seiten-
erheblich verringern. Derartige Fehler
leitwerksschale untersucht. Eine Teilaufgabe
können bereits während der Herstellung,
des Fraunhofer IMWS ist die Entwicklung
z.B. durch kontaminierte Halbzeuge,
einer ganzheitlichen Bewertungsmethodik
oder auch durch Schlagschäden im
zur Ermittlung kritischer Deckschicht-
Betrieb entstehen. Sie sind oft von außen
ablösungen in der Seitenleitwerksglobal-
schlecht oder gar nicht sichtbar und nur
struktur.
www.imws.fraunhofer.de
2
Delaminationsgrößen am Globalmodell
Charakterisierung des
FEM-Berechnungsmethodik
Deckschichtablöseverhaltens
wurde eine automatisierte zweistufige
Submodelltechnik entwickelt (Abb. 2).
Für die bruchmechanische Beanspruchungs-
Basierend auf dem intakten Globalmodell
Im Falle einer lokalen Deckschichtablösung
analyse der Delaminationsfront wird die
(ohne Delamination) und dessen
erfolgt ein Risswachstum zumeist in
Energiefreisetzungsrate mithilfe der Virtual
Verformungslösungen wird nach Vorgabe
beziehungsweise nahe der Grenzschicht
Crack Closure Technique (VCCT) berechnet.
von Ort und Größe der zu untersuchenden
zwischen der Deckschicht und dem
Ausgehend von einer Anfangs-
Delamination eine nichtlineare Nachbeul-
Schaumkern. Deshalb wurde ein bruch-
delamination wird mithilfe des Paris-
rechnung am automatisch erzeugten
mechanischer Bewertungsansatz gewählt.
Gesetzes das Rissfortschrittsverhalten unter
Submodell durchgeführt. Schließlich wird
Im ersten Schritt erfolgte die bruch-
Wechsellast sowie das Restfestigkeits-
mit einem weiteren Submodell die
mechanische Charakterisierung des
verhalten ermittelt.
Beanspruchungsanalyse der Delaminations-
Deckschichtablöseverhaltens unter
quasistatischer und zyklischer Belastung.
front ermittelt.
Validierungsversuch
Ergebnisse
Hierfür wurden Single Cantilever Beam
(SCB) Tests (Abb. 1) und Cracked Sandwich
Für den Validierungsversuch wurde ein
Beam (CSB) Tests durchgeführt, um die
2 x 1 Meter großer Schalenprüfkörper
Die Untersuchungen zeigten, dass die
Bruchzähigkeiten sowie die Ermüdungsriss-
ausgelegt, dessen unsymmetrische
Schadenstoleranz der untersuchten Sand-
koeffizienten unter globaler Mode-I- und
Sandwichgeometrie der realen Struktur
wichstruktur verhältnismäßig hoch und
globaler Mode-II-Belastung zu ermitteln.
entspricht. In der Schalenmitte wurde ein
berechenbar ist. Mithilfe der vorgestellten
künstlicher Anbindungsfehler zwischen
Methode können kritische Schadensgrößen
Außendeckschicht und Kern eingebracht.
und Restlebensdauern zuverlässig
Mithilfe von statischen und zyklischen
voraus berechnet werden. Dies erhöht die
Testreihen unter in-plane Druckbelastung
Akzeptanz und Einsatzrelevanz derartiger
wurde untersucht, wie sich die
Strukturen deutlich.
Delamination durch lokales Deckschichtbeulen ausbreitet (Abb. 3). Zur Erfassung
der von außen nicht sichtbaren Schadens3
ausbreitung kamen Ultraschall- und
Thermographie-Verfahren zum Einsatz.
2 Automatisiertes FE-Submodell-
Der Vergleich in Abb. 4 zeigt die Eignung
Berechnungstool zur Ermittlung
beider zfP-Methoden. Die begleitenden
kritischer Deckschichtablösungen
numerischen Berechnungen ergaben eine
in der Seitenleitwerksstruktur
gute Übereinstimmung mit dem
3 Schalenprüfstand auf dem
experimentell ermittelten Rissausbreitungs-
Mehrzweckprüffeld
verhalten.
4 Ultraschall- (oben) und Thermographiemessung (unten) der
Berechnungen am Globalmodell
Delaminationsfläche bei Versuchsbeginn (links) und nach 10
4
Für die Berechnung von kritischen
Millionen Lastwechseln (rechts)

Download Report