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Umformverhalten von großflächigen, dünnwandigen und sphärischen Strukturen im Flugzeugbau

 
: Zimmermann, Frieder
: Brosius, Alexander; Leyens, Christoph; Hackius, Jens

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Volltext urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-726568 (3.5 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 29b70f19ad2577b8a680e1cfdc23de86
Erstellt am: 11.11.2020


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Dresden: TUDpress, 2020, 129 S.
Zugl.: Dresden, TU, Diss., 2020
Dresdener Formgebung, 3
ISBN: 978-3-95908-215-0
 
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IWS ()

Abstract
Es besteht stetiger Trend, Flugzeugstrukturen aufgrund ökologischer und ökonomischer Gründe weiter bzw. neu zu entwickeln. Dabei bietet die neuartige Aluminiumlegierung AlMgSc aufgrund einiger sehr guten Eigenschaften großes Potential zum Einsatz im Flugzeugrumpf. Beispielsweise wirkt sich vorteilhaft aus, dass großflächige und dünnwandige Strukturen aus AlMgSc hervorragend kriechumgeformt werden können, wobei die Werkstücke bei erhöhter Temperatur und über einen längeren Zeitraum hinweg pneumatisch in eine Negativform gedrückt werden. Während das niederhalterlose Kriechumformen zylindrischer bzw. einfach gekrümmter Bleche problemlos möglich ist, neigen jedoch sphärische bzw. doppelt gekrümmte Strukturen zum Beulversagen während des Umformens. Die vorliegende Arbeit behandelt zunächst die Herstellbarkeit dünnwandiger und sphärisch gekrümmter Werkstücke durch das niederhalterlose pneumatische Umformen mit besonderem Fokus auf das Beulversagen. Dabei wird durch experimentelle, numerische und analytische Untersuchungen die Gefahr des Beulens, die sogenannte „Beulkritikalität“, in Abhängigkeit geometrischer und werkstofftechnischer Größen ermittelt. Des Weiteren wird beschrieben, wie beulkritische Bleche durch die geeignete Nutzung von Niederhaltern versagensfrei umgeformt werden können. Darüber hinaus erfolgt eine Evaluierung zur Anwendung von Heizmatten als energieeffiziente Möglichkeit der ofenlosen Blecherwärmung beim Kriechumformen anhand von mehreren Versuchen. Abschließend wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse an zwei luftfahrtbezogenen Anwendungsbeispielen gezeigt.

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Inhaltsverzeichnis // 1 Einleitung // 2 Stand der Kenntnisse // 2.1 Großflächige und dünnwandige Strukturen im Flugzeugbau // 2.2 Werkstoffe im Flugzeugbau // 2.2.1 Entwicklungstrend von Luftfahrzeugwerkstoffen // 2.2.2 Aluminiumlegierungen im Flugzeugbau // 2.2.2.1 Einteilung und Bezeichnung der Aluminiumknetlegierungen // 2.2.2.2 Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen // 2.2.2.3 Schweißbarkeit von Aluminiumlegierungen // 2.2.2.4 Neue Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt // 2.2.3 Aluminium-Lithium-Legierungen (AlLi) // 2.2.4 Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierungen (AlMgSc) // 2.2.5 Aluminium-Magnesium-Mangan-Legierung (AlMgMn) // 2.2.6 Portevin-Le Chatelier-Effekt (PLC-Effekt) bei AlMg-Legierungen // 2.3 Umformen von großformatigen Aluminium-Blechbauteilen im Flugzeugbau // 2.3.1 Walzrunden // 2.3.2 Streckziehen // 2.3.3 Kriechumformen // 2.3.3.1 Kriechen // 2.3.3.2 Spannungsrelaxation // 2.3.3.3 Creep age forming // 2.3.3.4 Kriechumformen von AlMgSc // 2.3.3.5 Abgrenzung zur superplastischen Umformung // 2.4 Versagensverhalten dünnwandiger Strukturen beim Umformen // 2.4.1 Festigkeitsproblem // 2.4.2 Stabilitätsproblem // 2.4.2.1 Stabiles, indifferentes und labiles Gleichgewicht // 2.4.2.2 Analytische Betrachtungen zum elastischen Beulen // 2.4.2.3 Plastisches Beulen // 2.4.2.4 Einfluss von Imperfektionen auf das Beulverhalten // 2.5 FE-Simulation in der Blechumformung // 3 Zielsetzung der Arbeit // 4 Werkstoffcharakterisierung // 4.1 Werkstoffprüfungen // 4.1.1 Uniaxiale Zugversuche // 4.1.2 Hydraulische Tiefungsversuche / Schichtstauchversuche // 4.1.3 Zeitstand- und Spannungsrelaxationsversuche // 4.2 Werkstoffmodellierung // 4.2.1 Fließkurven // 4.2.2 Fließortkurven // 4.2.3 Kriech- und Relaxationsverhalten // 5 Experimentelle und numerische Untersuchungen // 5.1 Niederhalterloses Umformen dünnwandiger und sphärischer Strukturen // 5.1.1 Versuchsaufbau und -ablauf // 5.1.2 FE-Modellierung und -Simulation // 5.1.3 Iterative Bestimmung des beulkritischen Rondendurchmessers // 5.1.4 Darstellung der Versuchs- und Simulationsergebnisse // 5.1.4.1 Allgemeines Umformverhalten ohne Beulversagen // 5.1.4.2 Beulerscheinungen // 5.1.4.3 Einfluss geometrischer Größen auf das Beulverhalten // 5.1.4.4 Einfluss der Werkstoffsteifigkeit auf das Beulverhalten // 5.1.5 Analytische Betrachtungen // 5.1.5.1 Ausformungsverhalten // 5.1.5.2 Spannungszustand // 5.1.5.3 Beulverhalten // 5.2 Umformen dünnwandiger und sphärischer Strukturen mit Niederhalter // 5.2.1 Analytische Betrachtung des Ausformungs- und Spannungszustands // 5.2.2 Versuchsaufbau und -ablauf // 5.2.2.1 Niederhaltervorrichtung // 5.2.2.2 Ofenlose Blecherwärmung // 5.2.3 Darstellung der Versuchs- und Simulationsergebnisse // 5.2.3.1 Untersuchungen bei Raumtemperatur // 5.2.3.2 Untersuchungen bei erhöhter Temperatur // 6 Anwendungsbeispiele // 6.1 Kriechumformen besonders dünnwandiger Bleche für Werkstoffverbunde // 6.2 Kriechumformen eines rührreibgeschweißten Flugzeug-Druckschotts // 6.2.1 Rührreibschweißen zur Herstellung großformatiger Bleche // 6.2.2 Umformversuche und -simulationen // 7 Zusammenfassung und Fazit // 7.1 Zusammenfassung der Ergebnisse // 7.2 Fazit // Literatur //