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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 Single Cantilever Beam (SCB)
Versuch zur Bestimmung der Interface-Bruchzähigkeit
SCHADENSTOLERANZ VON
HONEYCOMB-SANDWICHSTRUKTUREN
Motivation
in der Anbindung zwischen Deckschicht
und Kern können dazu führen, dass die
Sandwichstrukturen eignen sich aufgrund
Deckschicht durch den erhöhten inneren
ihrer guten Biege- und Beuleigenschaften
Druck weiter vom Kern abgerissen wird.
hervorragend für den ressourceneffizienten
Dadurch wird die Stabilität der Sandwich-
Fraunhofer-Institut für
Leichtbau. Die gewichtsbezogene
struktur verringert und die Tragfähigkeit der
Mikrostruktur von Werkstoffen
Steifigkeit von Honigwabenstrukturen ist in
Struktur beeinträchtigt. Deshalb besteht
und Systemen IMWS
Sandwich-Dickenrichtung besonders groß.
ein großes Interesse an der Bewertung
Deshalb weisen Sandwichstrukturen mit
kritischer Fehlergrößen in der Anbindung
Walter-Hülse-Straße 1
Honigwabenkern ein sehr hohes Leichtbau-
zwischen Deckschicht und Kern zur Ver-
06120 Halle (Saale)
potenzial auf und werden seit Jahrzehnten
meidung einer weiteren Schadens-
insbesondere in Luft- und Raumfahrzeugen
ausbreitung im Betrieb, um Design-
Ansprechpartner
eingesetzt. Aufgrund der extremen
Richtlinien für die Auslegung und um
Dr. Ralf Schäuble
Honigwaben-Leichtbaustruktur besteht
Inspektionsvorschriften für den Betrieb der
Telefon +49 345 5589-151
der Sandwichkern zu mindestens 95% aus
Struktur zu definieren.
[email protected]
eingeschlossener Luft. Wenn die Sandwichstruktur in ihrem Betrieb wechselnden
Aufgabenstellung
Dr.-Ing. Ralf Schlimper
Umgebungsdrücken und -temperaturen
Telefon +49 345 5589-263
ausgesetzt ist, z.B. während des Starts eines
In der Disbonding and Delamination Task
[email protected]
Flugzeugs, wirkt der Druckunterschied
Group des Composites Materials Handbook
zwischen Sandwichkern und Umgebung
(CMH-17) werden Methoden zur Be-
als zusätzliche mechanische Belastung.
wertung der Kritikalität von Deckschicht-
Fertigungs- oder betriebsbedingte Fehler
ablösungen in Honigwaben-Sandwich-
www.imws.fraunhofer.de
2
strukturen entwickelt. Aufgaben des
jedoch die realistischere Probenbelastung,
Sandwichkern höhere Druck ein Aufblähen
Fraunhofer IMWS sind die Material-
der einfache Aufbau und die Eignung auch
der delaminierten Sandwichstruktur (Abb.
charakterisierung und die Entwicklung
für Ermüdungsversuche unter Wechsellast.
2). Die dadurch entstehende Öffnung
von Berechnungsmethoden.
der Delamination führt zu einer erhöhten
FEM-Simulation ground-air druck-
Rissbeanspruchung und damit zur Gefahr
Charakterisierung des
belasteter Honeycomb-Sandwich-
einer weiteren Delaminationsausbreitung.
Deckschichtablöseverhaltens
strukturen
Sandwichstrukturen mit dünnen,
biegeweichen Deckschichten und großen
Im Falle einer lokalen Deckschichtablösung
Mithilfe von FEM-Simulationen wurde
Anfangsdelaminationen sind am stärksten
erfolgt ein Risswachstum zumeist in,
untersucht, wie sich die Sandwichpara-
gefährdet. Die Volumenzunahme beim
beziehungsweise nahe der Grenzschicht,
meter Deckschichtdicke, Kernhöhe
Aufblähen führt auch zu einer Druckabnah-
zwischen der Deckschicht und dem
und -dichte sowie der Durchmesser
me im Sandwichkern. Mit zunehmender
Honigwabenkern. Deshalb wurde ein
der Deckschichtablösung auf deren
Delaminationsgröße nähert sich der innere
bruchmechanischer Bewertungsansatz
Ausbreitungsverhalten auswirken (Abb.
Druck asymptotisch dem Umgebungsdruck
gewählt. Die bruchmechanische Charakte-
2). Da die Luft im Sandwichkern durch die
an (Abb. 3). Durch diese signifikante Belas-
risierung des Deckschichtablöseverhaltens
Deckschichten in einer Kavität eingeschlos-
tungsabnahme steigt die Delaminations-
erfolgte mithilfe des Single Cantilever Beam
sen ist, verändert sich der innere Druck
belastung mit zunehmender Größe
(SCB) Tests (Abb. 1). Der SCB-Versuch
sowohl mit der Temperatur als auch durch
zunächst an, erreicht aber bei einem be-
ähnelt dem weiter verbreiteten Trommel-
eine Volumenänderung. Hierdurch ergibt
stimmten, sandwichgeometrie-abhängigen
schälversuch. Wesentliche Vorteile sind
sich eine Druck-Temperatur-Verformungs-
Durchmesser ein Maximum (Abb. 4). Liegt
Kopplung, die bei der Verformungs- und
die Interface-Bruchzähigkeit über diesem
Pressure disbonded sandwich
Beanspruchungsanalyse berücksichtigt
Grenzwert, tritt unabhängig von der Dela-
Pressure disbonded sandwich
Ambient Pressure
werden muss. Zur Abbildung dieses
minationsgröße keine kritische Ausbreitung
Effekts wurden Fluid-Kavitäten für den
ein. Ohne Berücksichtigung der Druck-
0.06
Sandwichkern im intakten und im
Temperatur-Verformungs-Kopplung würde
0.04
delaminierten Bereich definiert. Während
die Delaminationsbelastung unrealistisch
0.02
der nichtlinearen Verformungsanalyse
hoch berechnet und das Strukturverhalten
werden die realen Innendrücke basierend
falsch vorhergesagt werden.
0.1
p [MPa]
0.08
0
3
0
100
200
300 400 500 600
Disbond radius [mm]
700
800
und mit den Strukturelementen gekoppelt.
2 Simulation der ground-air
Schließlich wird für die bruchmechanische
Druckbelastung von Honeycomb-
Beanspruchungsanalyse der Delaminations-
Sandwichstrukturen während des
front die Energiefreisetzungsrate mithilfe
Flugzeugaufstiegs auf Reise-
600
der Virtual Crack Closure Technique (VCCT)
flughöhe
400
berechnet.
Maximum GT along crack front
1200
GT
Needed Fracture Toughness
1000
GT [J/m2]
auf dem allgemeinen Gasgesetz berechnet
800
200
0
4
3 Druckabnahme im Sandwichkern aufgrund starker Verformun-
0
100
200
300 400 500 600
Disbond radius [mm]
700
800
Ergebnisse
gen bei großen Delaminationen
4 Delaminationsfrontbelastung
Während des Aufstiegs eines startenden
in Abhängigkeit von der Delami-
Flugzeugs auf Reiseflughöhe erzeugt der im
nationsgröße

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