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Diplomarbeit aus dem Jahr 1999 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Luft- und Raumfahrttechnik, Note: 1,3, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Luft- und Raumfahrttechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Eine der kritischsten Schadensarten in Verbundwerkstoffen ist der Stoß- bzw. Impactschaden z.B. durch Stein- oder Vogelschlag. Aufgrund von entstehenden Delaminationen kann die Druckfestigkeit der geschädigten Strukturen erheblich abnehmen. Für den erfolgreichen Einsatz von Verbundwerkstoffen ist es deshalb erforderlich, den Einfluss von Impactschädigungen auf die Restfestigkeit und Reststeifigkeit abschätzen zu können.
Gang der Untersuchung:
Im ersten Teil der Diplomarbeit wird der Stand der Forschung zum Impactverhalten von Faserverbundwerkstoffen dargelegt. Anhand von Literaturveröffentlichungen werden analytisch / numerische und experimentelle Untersuchungen erläutert.
Im zweiten Teil der Arbeit werden einschnittige Klebeverbindungen mit isotropen Gurten unter einer Impactbelastung berechnet. Als Berechnungsmethoden werden
eine analytische Berechnung auf Basis der Zweigurtscheibe nach Bansemir mit Hilfe eines vorhandenen, für den Lastfall modifizierten Fortran-Programmes, FEM-Rechnungen (MARC / PERMAS) und Versagenskriterien verwendet.
Die Konfiguration wird als Vorstufe eines Faserverbundes angesehen, wobei die Isotropie der Gurte zu einer Vereinfachung der Berechnung beiträgt. Betrachtet wird dabei der Verlauf der einzelnen Kräfte, Verschiebungen und Spannungen während der Belastung, mit dem Ziel, die für die Delaminationen in Faserverbundwerkstoffen ausschlaggebenden Spannungen bzw. Spannungskombinationen zu ermitteln. Mit verschiedenen Festigkeitskriterien werden die Ergebnisse bewertet, so dass sie den Bruch der Proben möglichst gut erfassen. Letztendlich ist es das Ziel, ein physikalisch mechanisches Verständnis für die Spannungsausbreitung und für die die Delaminationen bewirkenden Spannungen zu entwickeln, so dass später evtl. eine Vorhersage über Delaminationen gemacht werden kann.
Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Ergebnisse und eine kritische Diskussion.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung6
2.Impact bei Faserverbundwerkstoffen8
2.1Faserverbundwerkstoffe, Stand der Technik8
2.2Das Auftreten von Impactbelastungen11
2.2.1Simulierte Impactbelastungen in Versuchen13
2.3Folgen von Impactbelastungen14
2.3.1Einfluss der Impactgeschwindigkeit17
2.4Die Erkennung von Impactschäden und Prüfung von Bauteilen19
2.4.1Sichtkontrolle und Klopftest20
2.4.2Radiologische Verfahren20
2.4.3Akustische Verfahren22
2.5Maßnahmen zur Verbesserung des Impactverhaltens von Faserverbundwerkstoffen24
2.5.1Veränderte Lagenorientierung25
2.5.2Interleafes und Hybridisierung26
2.5.3Dreidimensionale textile Verstärkungshalbzeuge27
2.5.4Z-Fiber28
3.Berechnungsverfahren30
3.1Generelle Beschreibung der zu berechnenden Konfiguration30
3.2Bruchmechanismen von Faserverbundwerkstoffen unter Impactbelastungen31
3.3Versagenskriterien34
3.3.1Gestaltänderungsenergie-Hypothese (Vergleichsspannung nach Mises)36
3.3.2Einzelschicht-Festigkeitskriterium von Puck37
3.3.3Verbessertes Zwischenfaserbruch-Kriterium nach Puck40
4.Berechnung einer einschnittigen Klebeverbindung mit dem Übertragungsmatrizenverfahren für die Zweigurtscheibe45
4.1Scheibenbeziehungen46
4.2Gurtbeziehungen49
4.3Herleitung der Differentialmatrix für die Zweigurtscheibe51
4.4Bestimmung der Übertragungsmatrix durch Lösung des Differentialgleichungssystems53
4.5Analytische Berechnung der Längsspannungen sx an den Grenzflächen Gurt-Kleber56
4.6Ergebnisse der analytischen Rechnung58
5.Berechnung einer einschnittigen Klebeverbindung mit der Method...
Eine der kritischsten Schadensarten in Verbundwerkstoffen ist der Stoß- bzw. Impactschaden z.B. durch Stein- oder Vogelschlag. Aufgrund von entstehenden Delaminationen kann die Druckfestigkeit der geschädigten Strukturen erheblich abnehmen. Für den erfolgreichen Einsatz von Verbundwerkstoffen ist es deshalb erforderlich, den Einfluss von Impactschädigungen auf die Restfestigkeit und Reststeifigkeit abschätzen zu können.
Gang der Untersuchung:
Im ersten Teil der Diplomarbeit wird der Stand der Forschung zum Impactverhalten von Faserverbundwerkstoffen dargelegt. Anhand von Literaturveröffentlichungen werden analytisch / numerische und experimentelle Untersuchungen erläutert.
Im zweiten Teil der Arbeit werden einschnittige Klebeverbindungen mit isotropen Gurten unter einer Impactbelastung berechnet. Als Berechnungsmethoden werden
eine analytische Berechnung auf Basis der Zweigurtscheibe nach Bansemir mit Hilfe eines vorhandenen, für den Lastfall modifizierten Fortran-Programmes, FEM-Rechnungen (MARC / PERMAS) und Versagenskriterien verwendet.
Die Konfiguration wird als Vorstufe eines Faserverbundes angesehen, wobei die Isotropie der Gurte zu einer Vereinfachung der Berechnung beiträgt. Betrachtet wird dabei der Verlauf der einzelnen Kräfte, Verschiebungen und Spannungen während der Belastung, mit dem Ziel, die für die Delaminationen in Faserverbundwerkstoffen ausschlaggebenden Spannungen bzw. Spannungskombinationen zu ermitteln. Mit verschiedenen Festigkeitskriterien werden die Ergebnisse bewertet, so dass sie den Bruch der Proben möglichst gut erfassen. Letztendlich ist es das Ziel, ein physikalisch mechanisches Verständnis für die Spannungsausbreitung und für die die Delaminationen bewirkenden Spannungen zu entwickeln, so dass später evtl. eine Vorhersage über Delaminationen gemacht werden kann.
Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Ergebnisse und eine kritische Diskussion.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung6
2.Impact bei Faserverbundwerkstoffen8
2.1Faserverbundwerkstoffe, Stand der Technik8
2.2Das Auftreten von Impactbelastungen11
2.2.1Simulierte Impactbelastungen in Versuchen13
2.3Folgen von Impactbelastungen14
2.3.1Einfluss der Impactgeschwindigkeit17
2.4Die Erkennung von Impactschäden und Prüfung von Bauteilen19
2.4.1Sichtkontrolle und Klopftest20
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2.4.3Akustische Verfahren22
2.5Maßnahmen zur Verbesserung des Impactverhaltens von Faserverbundwerkstoffen24
2.5.1Veränderte Lagenorientierung25
2.5.2Interleafes und Hybridisierung26
2.5.3Dreidimensionale textile Verstärkungshalbzeuge27
2.5.4Z-Fiber28
3.Berechnungsverfahren30
3.1Generelle Beschreibung der zu berechnenden Konfiguration30
3.2Bruchmechanismen von Faserverbundwerkstoffen unter Impactbelastungen31
3.3Versagenskriterien34
3.3.1Gestaltänderungsenergie-Hypothese (Vergleichsspannung nach Mises)36
3.3.2Einzelschicht-Festigkeitskriterium von Puck37
3.3.3Verbessertes Zwischenfaserbruch-Kriterium nach Puck40
4.Berechnung einer einschnittigen Klebeverbindung mit dem Übertragungsmatrizenverfahren für die Zweigurtscheibe45
4.1Scheibenbeziehungen46
4.2Gurtbeziehungen49
4.3Herleitung der Differentialmatrix für die Zweigurtscheibe51
4.4Bestimmung der Übertragungsmatrix durch Lösung des Differentialgleichungssystems53
4.5Analytische Berechnung der Längsspannungen sx an den Grenzflächen Gurt-Kleber56
4.6Ergebnisse der analytischen Rechnung58
5.Berechnung einer einschnittigen Klebeverbindung mit der Method...