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Anpassung der Geometrie eines Wabenkerns einer querkraftbeanspruchten Sandwichplatte an den v. Mises-Vergleichsspannungsverlauf

 
: Denk, Martin
: Riß, Fabian

München, 2014, 280 S.
München, Hochschule, Dipl.-Arb., 2014
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IWU ()

Abstract
"Was wir wissen, ist ein Tropfen; was wir nicht wissen, ein Ozean." (Isaac Newton)
Die Komplexität technischer Anwendungen erhöht sich immer weiter. Die wachsende Konkurrenz auf den Markt fordert effizientere, ausgereiftere und nachhaltigere Produkte. Flugzeuge, Autos, Trägerantriebe und Schienenfahrzeuge sollen, wenn möglich, nach jedem Produktionszyklus weniger Exergie in Anergie umwandeln. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, gibt es unterschiedliche Ansätze den exergetischen Wirkungsgrad zu steigern. Hierfür können grundlegend thermodynamische Prozesse im Antrieb, aerodynamische Profile oder mechanische Strukturen effizienter gestaltet werden. (In Anlehnung an [1] und [2])
Der letztere Punkt zielt auf die Gewichtsverringerung von Bauteilen ab, den sogenannten Leichtbau. Der Materialleichtbau kann durch die Verbesserung der mechanischen Kenngrößen, wie der spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, realisiert werden. Eine weitere Methode ist der formgebende Leichtbau. Hierbei werden Strukturen stabil und spannungsgerecht der wirkenden Belastung angepasst. Dies fordert mit jeder neuen Generation komplexere geometrische Körper. Die Herausforderung besteht in der rechnerischen Beurteilung dieser Geometrien hinsichtlich ausreichender Festigkeit und Steifigkeit. Für den optimalen Leichtbau gilt es, die Geometrie- und Materialeigenschaften sinnvoll zu kombinieren. (Siehe [3], S. 1 ff und [4])
Eine moderne Variante der Kombination aus Materialleichtbau und dem geometrischen Leichtbau ist der Einsatz von Sandwichbauteilen. Dieses Sandwich besteht aus zwei steifen und festen Deckschichten (meist Kohlefasern) und einem weichen Kern (Kunststoff, Papier, Metall), der die beiden Häute auf Abstand hält. Die Gestaltung des Kerns bzw. der Kernstruktur ist die maßgebende Größe für die Gewichtsverbesserung des Sandwichverbunds. (Vgl. [5], S. 223 ff)
Diese Diplomarbeit handelt von der strukturellen Formgestaltung von Wabenstrukturen als Kern in Sandwichbauteilen. Die Beurteilung der regelmäßigen Wabenstrukturen innerhalb des Sandwiches kann mit Abschlägen und Vereinfachungen analytisch erfolgen. (In Anlehnung an die analytischen Betrachtungen von [5], [4] und [3])
Moderne computergesteuerte Berechnungswerkzeuge eröffnen ungeahnte Möglichkeiten bei der Auswertung schwierigster Formen. Die Finite Elemente Methode teilt komplexe Bauteile in einzelne gitterförmige Gebilde auf. In der Theorie lässt sich mit steigendem Rechenaufwand, dichterer Vernetzung und richtiger Modellierung jedes Bauteil berechnen. Praktisch sind die Simulationen durch die aktuelle Prozessorleistung begrenzt. Durch eine Kombination aus Analytik und Numerik können gute Leichtbaukonstruktionen ermittelt werden. Anhand analytischer Verfahren können die Auswirkungen der geometrischen Abmaße und der Materialeigenschaften auf die Spannung und Stabilität bei einfachen Strukturen abgelesen werden. Die numerischen Verfahren bieten Möglichkeiten komplexe Bauteile hinsichtlich ihrer Festigkeit und Steifigkeit zu beurteilen, allerdings ist der Zusammenhang zwischen der Spannung, der Stabilität und den geometrischen Abmaße nur begrenzt ersichtlich. Für den Wabenkern wird eine Kombination aus der Methode der Finiten Elemente und einer vereinfachten mechanischen Betrachtung eines Balkenmodells aus der technischen Mechanik verwendet. Aus dem FE-Modell werden die Spannungen in den Wabenwänden errechnet. Die Waben werden anschließend auf Basis der numerisch ermittelten Spannungen durch mechanische Ansätze an den Spannungsverlauf angepasst.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-309200.html