KT_5
Part 6 - 7 Struktursimulation Faserverbundwerkstoffe
Part 6 - 7 Struktursimulation Faserverbundwerkstoffe
Wie sieht eine Composite-Produktentwicklung grafisch aus?
Wie sieht die Systematik für Composite Strukturen aus? (3)
Group A: Material (Generelles Materialverhalten, Kritische Materialeigenschaften, Allowables)
Group B: Designs (Elemente, Subkomponenten, Strukturen)
Group C: Komponenten (Grosse komplexe Strukturen, Häufig zum Nachweis analytischer Betrachtungen)
Wie wird die Simulation in der Bauteilentwicklung eingesetzt?
-Materialcharkterisierung durch Materialtests.
-Produktentwicklung durch strukturelle Tests.
Wie werden Materialtests durchgeführt?
-Standarttests
-Geometrisch einfache Probekörper
-konstante oder einfache Spannungsverteilung
-Versuche mit standardisierten Vorrichtungen und Maschinen
-Einfache Therorien zur Interpretation der Resultate
Wie werden Strukturelle Tests durchgeführt?
-Spezieller Test für jede Struktur
-Geometrisch komplexe Probekörper
-Komplexe Spannungsverteilung
-Versuche mit komplexen Vorrichtungen und Krafteinleitungselementen
-Strukturanalyse zur Überwachung und Interpretation der Resultate notwendig
Welche Fragen lassen sich zum Aufwand, einen Flugzeugrumpf aus Composites zu bauen, stellen?
-Einfluss auf die Treibstoffeinsparung?
-Eignung ders FVK-Werkstoffes (Lastfälle)?
-Weitere Vorteile?
-Welche Nachteile?
Welche Fragen lassen sich zur Simulation die es benötigt, einen Flugzeugrumpf aus Composites zu bauen, stellen?
– Welche Arten von Simulationen (Struktur, Fluid, …) sind nötig?
– Wie sehen die verschiedenen Lastfälle aus?
– Welche Materialkennwerte werden benötigt (Bedingungen, z. B. «hot/wet»)?
– Wie stark muss auf experimentelle Untersuchungen zurückgegriffen werden?
Was sind chicken rivets?
Angstnieten bei Composite- Bauteilen
Wie sieht die Simulation Lastfall Innendruck für ein Composite-Rumpf aus?
•Aluminium-Rumpf, 2mm Wandstärke, isotropes Material simulieren
•Welcher Spannungszustand liegt vor? Sicherheitsfaktoren?
•Ist ein Composite-Werkstoff geeignet für diese Art Spannungszustand?
•Falls ja, wie sollte die optimale Faserausrichtung sein? Ist diese realisierbar?
Wie sieht der Festigkeitsvergleich zwischen Alu und Composite- Materialien aus?
Theorie:
•Festigkeitswerte Aluminium: 280MPa, UD-Prepreg: 2200MPa
•Bei Kreuzverbund: immer noch ~1000MPa je Vorzugsrichtung
•Deutlich höhere Festigkeit selbst bei quasi-isotropem Verbund
Aber
•«Hot/wet» Bedingungen: 100% Luftfeuchtigkeit, 80°C, dadurch signifikant niedrigere zulässige Spannung (ca. ¼ von 2200MPa)
•Versagensverhalten des FVK: Faserbruch/Matrixbruch/Delamination?
•(Sicherheitsfaktoren bereits im «stress limit» integriert)
Wie wird der Lagenaufbau für einen Flugzeugrumpf gestaltet? Was sind die Vor- bzw. Nachteile daraus?
Lagenaufbau: quasi-isotropes Laminat >> black metal
+Gewichtsvorteil 10-20%
-Wandstärke höher als bei Verwendung von Aluminium
-kein mechanischer Vorteil aufgrund des komplexen Spannungszustandes
Für welche Bauteile/Belastungen sind Composite-Werkstoffe am besten geeignet?
schalenförmige Bauteile mit möglichst einachsiger Belastung
Welche Eigenschaften werden durch Spannungen in Dickenrichtung beeinflusst?
-Wichtiges Auslegungskriterium für Faserverbundwerkstoffe (Delamination)
-Die Festigkeiten in Dickenrichtung sind matrixdominiert >> Fasern helfen nicht
Wie sehen ungünstige Lastfälle für Composites aus?
ILSS: Spannungen zwischen den Gewebelagen, die zu Delamination führen
TTT: Spannungen in Dickenrichtung (Normalspannungen), nur bei gekrümmten Laminaten
Was muss beachtet werden, wenn in der Simulation von Composite-Bauteilen Schalenelemente verwendet werden?
-Schalenelemente können i.A. keine "out of plane" Effekte nachbilden
Welchen Einfluss haben Poren in einem Laminat?
Sie beeinflussen die ILSS und TTT-Werte erheblich
pro 1% Poren → 5-10% Abnahme der ILSS
Wie werden die stress limits bestimmt?
ILSS: ASTM D2344; Durchbiegung einesFlachen Stabes
TTT: ASTM D6415; Spannungen in einem gekrümmten Stab
Welche Unterschiede entstehen, wenn das Luftleitblech eines Triebwerks anstelle aus Aluminium neu aus CFK produziert wird?
-Zertrümmerung bei Versagen; ausscheiden nach hinten >> geringeres Schadenpotential am Casing als bei Alu-Luftleitblechen >> Gewichtseinsparung am Triebwerk bis zu 250kg
-Reduktion der rotierenden Masse
Wie kann der Preform eines Hohlkörpers (Luftleitblech) aufgebaut werden?
-Mehrteiliger Preform
-mehrteiliger herausziehbarer Kern
-Verstärkungslitze
Welche Materialien wurden für das Werkzeugkonzept des Luftleitblechs eingesetzt? warum?
Werkzeug: Invar >> ohne Wärmeausdehnung
Kern: Aluminium >> bessere Entformung durch Wärmeausdehnung
Wie sehen die Randbedingungen für die Auslegung eines Triebwerks aus?
-Dauerfestigkeit bei Nenndrehzahl 100% Schub; tausende Zyklen während Start/Landung
-Maximale Last 125% Schub; Notfall >> überprüfung nötig
-85% Schub für ein optimales aerodynamisches Profil (Reisegeschwindigkeit)
Was geschiet, wenn das Luftleitblech bewegt wird?
-Spannungen im T-Joint und im U-channel
-Je nach Bewegung (nach innen oder aussen) von lid und web ist mit interlaminaren Spannungen (ILSS, Interlaminar Shear Stresses) oder Spannungen in Dickenrichtung (TTT, Through Thickness Tensile Stresses) zu rechnen.
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Cartes-fiches
Wie sieht eine Composite-Produktentwicklung grafisch aus?
Wie sieht die Systematik für Composite Strukturen aus? (3)
Group A: Material (Generelles Materialverhalten, Kritische Materialeigenschaften, Allowables)
Group B: Designs (Elemente, Subkomponenten, Strukturen)
Group C: Komponenten (Grosse komplexe Strukturen, Häufig zum Nachweis analytischer Betrachtungen)
Wie wird die Simulation in der Bauteilentwicklung eingesetzt?
-Materialcharkterisierung durch Materialtests.
-Produktentwicklung durch strukturelle Tests.
Wie werden Materialtests durchgeführt?
-Standarttests
-Geometrisch einfache Probekörper
-konstante oder einfache Spannungsverteilung
-Versuche mit standardisierten Vorrichtungen und Maschinen
-Einfache Therorien zur Interpretation der Resultate
Wie werden Strukturelle Tests durchgeführt?
-Spezieller Test für jede Struktur
-Geometrisch komplexe Probekörper
-Komplexe Spannungsverteilung
-Versuche mit komplexen Vorrichtungen und Krafteinleitungselementen
-Strukturanalyse zur Überwachung und Interpretation der Resultate notwendig
Welche Fragen lassen sich zum Aufwand, einen Flugzeugrumpf aus Composites zu bauen, stellen?
-Einfluss auf die Treibstoffeinsparung?
-Eignung ders FVK-Werkstoffes (Lastfälle)?
-Weitere Vorteile?
-Welche Nachteile?
Welche Fragen lassen sich zur Simulation die es benötigt, einen Flugzeugrumpf aus Composites zu bauen, stellen?
– Welche Arten von Simulationen (Struktur, Fluid, …) sind nötig?
– Wie sehen die verschiedenen Lastfälle aus?
– Welche Materialkennwerte werden benötigt (Bedingungen, z. B. «hot/wet»)?
– Wie stark muss auf experimentelle Untersuchungen zurückgegriffen werden?
Was sind chicken rivets?
Angstnieten bei Composite- Bauteilen
Wie sieht die Simulation Lastfall Innendruck für ein Composite-Rumpf aus?
•Aluminium-Rumpf, 2mm Wandstärke, isotropes Material simulieren
•Welcher Spannungszustand liegt vor? Sicherheitsfaktoren?
•Ist ein Composite-Werkstoff geeignet für diese Art Spannungszustand?
•Falls ja, wie sollte die optimale Faserausrichtung sein? Ist diese realisierbar?
Wie sieht der Festigkeitsvergleich zwischen Alu und Composite- Materialien aus?
Theorie:
•Festigkeitswerte Aluminium: 280MPa, UD-Prepreg: 2200MPa
•Bei Kreuzverbund: immer noch ~1000MPa je Vorzugsrichtung
•Deutlich höhere Festigkeit selbst bei quasi-isotropem Verbund
Aber
•«Hot/wet» Bedingungen: 100% Luftfeuchtigkeit, 80°C, dadurch signifikant niedrigere zulässige Spannung (ca. ¼ von 2200MPa)
•Versagensverhalten des FVK: Faserbruch/Matrixbruch/Delamination?
•(Sicherheitsfaktoren bereits im «stress limit» integriert)
Wie wird der Lagenaufbau für einen Flugzeugrumpf gestaltet? Was sind die Vor- bzw. Nachteile daraus?
Lagenaufbau: quasi-isotropes Laminat >> black metal
+Gewichtsvorteil 10-20%
-Wandstärke höher als bei Verwendung von Aluminium
-kein mechanischer Vorteil aufgrund des komplexen Spannungszustandes
Für welche Bauteile/Belastungen sind Composite-Werkstoffe am besten geeignet?
schalenförmige Bauteile mit möglichst einachsiger Belastung
Welche Eigenschaften werden durch Spannungen in Dickenrichtung beeinflusst?
-Wichtiges Auslegungskriterium für Faserverbundwerkstoffe (Delamination)
-Die Festigkeiten in Dickenrichtung sind matrixdominiert >> Fasern helfen nicht
Wie sehen ungünstige Lastfälle für Composites aus?
ILSS: Spannungen zwischen den Gewebelagen, die zu Delamination führen
TTT: Spannungen in Dickenrichtung (Normalspannungen), nur bei gekrümmten Laminaten
Was muss beachtet werden, wenn in der Simulation von Composite-Bauteilen Schalenelemente verwendet werden?
-Schalenelemente können i.A. keine "out of plane" Effekte nachbilden
Welchen Einfluss haben Poren in einem Laminat?
Sie beeinflussen die ILSS und TTT-Werte erheblich
pro 1% Poren → 5-10% Abnahme der ILSS
Wie werden die stress limits bestimmt?
ILSS: ASTM D2344; Durchbiegung einesFlachen Stabes
TTT: ASTM D6415; Spannungen in einem gekrümmten Stab
Welche Unterschiede entstehen, wenn das Luftleitblech eines Triebwerks anstelle aus Aluminium neu aus CFK produziert wird?
-Zertrümmerung bei Versagen; ausscheiden nach hinten >> geringeres Schadenpotential am Casing als bei Alu-Luftleitblechen >> Gewichtseinsparung am Triebwerk bis zu 250kg
-Reduktion der rotierenden Masse
Wie kann der Preform eines Hohlkörpers (Luftleitblech) aufgebaut werden?
-Mehrteiliger Preform
-mehrteiliger herausziehbarer Kern
-Verstärkungslitze
Welche Materialien wurden für das Werkzeugkonzept des Luftleitblechs eingesetzt? warum?
Werkzeug: Invar >> ohne Wärmeausdehnung
Kern: Aluminium >> bessere Entformung durch Wärmeausdehnung
Wie sehen die Randbedingungen für die Auslegung eines Triebwerks aus?
-Dauerfestigkeit bei Nenndrehzahl 100% Schub; tausende Zyklen während Start/Landung
-Maximale Last 125% Schub; Notfall >> überprüfung nötig
-85% Schub für ein optimales aerodynamisches Profil (Reisegeschwindigkeit)
Was geschiet, wenn das Luftleitblech bewegt wird?
-Spannungen im T-Joint und im U-channel
-Je nach Bewegung (nach innen oder aussen) von lid und web ist mit interlaminaren Spannungen (ILSS, Interlaminar Shear Stresses) oder Spannungen in Dickenrichtung (TTT, Through Thickness Tensile Stresses) zu rechnen.
