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Einsatzverhalten von CFK-Schaum-Sandwichstrukturen für die Anwendung in Luftfahrzeugprimärbauteilen unter mechanischen und thermomechanischen Belastungen

 
: Rinker, M.

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt e.V. -DGLR-, Lilienthal-Oberth:
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2009. CD-ROM : Luft- und Raumfahrt - bewegte Geschichte, große Zukunft, 08.-10.09.2009, Aachen
Bonn: DGLR, 2009
Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress <2009, Aachen>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer IWM ()
CFK-Schaum-Sandwich; Schadenstoleranz; Temperaturbelastung; Ermüdung; Rissausbreitung

Abstract
Sandwichstrukturen bestehen aus zwei steifen und festen Deckschichten, die durch einen leichten Kern fest miteinander verbunden sind. Sie weisen eine verhältnismäßig hohe Biegesteifigkeit und festigkeit auf und eignen sich deshalb für biege- und beulgefährdete Schalenbauteile wie Tragflügel-, Leitwerks- oder Rumpfstrukturen. Die Biegesteifigkeit des Verbundes wird im Wesentlichen durch die Zug- und Drucksteifigkeit der Deckschichten sowie der Kernhöhe bestimmt. Durch die Verwendung von Kohlenstofffasermultiaxialgelege für die Deckschichten und geschlossenzelligen Polymerschäumen als Kernmaterial ist es möglich, große Sandwichschalen mit komplexer Geometrie kostengünstig mittels Vakuuminfusionstechnologie herzustellen. Diese Strukturen eignen sich somit zur effektiven Umsetzung einer integ ralen Bauweise durch die Einsparung vieler Versteifungs- und Fügeelemente. Im Vergleich zu monolithischen Strukturen ist das mechanische Verhalten solcher Sandwichverbunde komplexer. Durch die unterschiedlichen Wärmedehnungseigenschaften von Polymerschaum und Deckschicht entstehen im Betrieb Eigenspannungen, die sich den mechanischen Lasten überlagern und je nach Lastfall entlastend oder auch zusätzlich belastend auswirken können. Neben der theoretisch-rechnerischen Vorhersage der Eigenspannungen ist es wichtig, diese zu messen und ihre Auswirkung auf den Verbund zu prüfen. Hierzu wurden Methoden basierend auf der Krümmungsmessung entwickelt und angewandt. Es zeigte sich, dass die Eigenspannungen bei der Auslegung berücksichtigt werden müssen, jedoch im Bauteil zum Teil relaxieren. Neben der statischen Auslegung unter Berücksichtigung der Eigenspannungen muss überprüft werden, wie sich das Sandwich unter Temperaturwechsellasten auswirkt. Hierzu wurden theoretische und experimentelle Untersuchungen unter Temperaturwechsellast und Temperaturschockbelastung bewertet. Eine wichtige Anforderung an Luftfahrzeugprimärbauteile ist die Schadenstoleranz, die Fähigkeit der Struktur, definierte Schäden ertragen zu können ohne zu versagen. Schlagbelastungen können z. B. durch Vogelschlag, Hagel oder herabfallende Werkzeuge während Wartungsarbeiten auftreten. Bei Sandwichstrukturen können solche Schlagschäden dazu führen, dass Kern und Deckschicht weitestgehend ungeschädigt sind, deren Anbindung aneinander jedoch gestört wird. Es muss untersucht werden, wie groß ein solcher Schaden se in darf, um die vorgegebene Last dennoch zu ertragen, bzw. welche Last bei einem definierten Schaden ertragen werden kann. Insofern die Restfestigkeit noch gegeben ist, ist zu überprüfen, ob sich der Schaden unter Wechsellast ausbreitet und wie stark der Rissfortschritt ist. Die Bewertung dieser Anforderungen basiert auf experimentellen und theoretischen Untersuchungen. Hierfür wurden quasi-statische und zyklische DCB- und ENF-Versuche durchgeführt und die Werkstoffkennwerte zur Bewertung der Bauteilrestfestigkeit in Form von kritischen Energiefreisetzungsraten sowie das Paris-Gesetz und die dazugehörigen Paris-Konstanten zur Bewertung des Rissfortschritts bestimmt.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-112503.html