Bruchmechanische Bewertung der Schadenstoleranz von CFK-Schaum-Sandwichstrukturen

Angebote / Angebote:

CFK-Schaum-Sandwichstrukturen weisen vor allem hohe gewichtsspezifische Biegesteifigkeiten auf und eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in beulbeanspruchten Schalenstrukturen von Luftfahrzeugen. Sie sind jedoch grundsätzlich empfindlich gegenüber Beanspruchungen in Dickenrichtung. Schlagschäden im Betrieb können derart ausfallen, dass die Deckschicht in einem von außen nicht sichtbarem Bereich vom Kern abgelöst ist. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich derartige Schäden im Betrieb ausbreiten. Hierbei wird davon ausgegangen, dass derartige Schäden einen Anriss zwischen Deckschicht und Schaumkern darstellen. Deshalb wird für die Untersuchungen ein bruchmechanischer Ansatz gewählt. Zunächst wird eine mechanische Grundcharakterisierung der Sandwichstruktur in Form von Zug-, Schub- und Biegeversuchen vorgenommen. Es wird aufgezeigt, dass fertigungsbedingte Temperatureigenspannungen einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf das Versagensverhalten der Sandwichstruktur haben. Mithilfe von modifizierten DCB- und ENF-Versuchen wird das Deckschichtablöseverhalten unter quasi-statischen und zyklischen Belastungen untersucht. Um die Rissspitzenbeanspruchung, insbesondere die Kombination der Beanspruchungsmoden, korrekt erfassen zu können, werden die Experimente auch mithilfe der FEM ausgewertet. Dabei wird die Rissschließmethode basierend auf der Energiefreisetzungsrate in Nachlaufrechnungen angewendet. Die Ergebnisse in Form der kritischen Energiefreisetzungsraten und ihren VCCT- Modenanteilen sind die Grundlage für die Ermittlung kritischer Schadensgrößen der untersuchten Sandwichstrukturen mit teilweise abgelöster Deckschicht. Anschließend wird das Ermüdungsrisswachstum unter Wechsellast charakterisiert. Die dabei bestimmten Paris-Exponenten sind vergleichsweise hoch, was eine schadenstolerante Auslegung einer derartigen Sandwichstruktur erschwert. Insofern Rissfortschritt eintritt, wird er schnell verstärkt und die Restfestigkeit erreicht. Der Rissfortschritt ist unter globaler Mode-II-Belastung im ENF-Versuch deutlich geringer als im DCB-Test unter globaler Mode-I-Last. Mithilfe von 3- und 4-Punkt-Biegeversuchen an schlaggeschädigten Sandwichstrukturen werden die zuvor bestimmten Kennwerte und entwickelten Methoden überprüft. Eine Möglichkeit zur Eingrenzung oder zumindest Verlangsamung der Delaminationsausbreitung zwischen Deckschicht und Kern ist die Einbringung von Rissstoppern in die Sandwichstruktur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Rissstoppfunktion eines Kastenprofils und eines Doppel- T-Profils unter globaler Mode-I- und Mode-II-Belastung gezeigt. Das Doppel-T-Profil zeigt die bessere Wirkung.