CFK-Schaum-Sandwichstrukturen weisen vor allem hohe gewichtsspezifische Biegesteifigkeiten auf und eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in beulbeanspruchten Schalenstrukturen von Luftfahrzeugen. Sie sind jedoch grundsätzlich empfindlich gegenüber Beanspruchungen in Dickenrichtung. Schlagschäden im Betrieb können derart ausfallen, dass die Deckschicht in einem von außen nicht sichtbarem Bereich vorn Kern abgelöst ist. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich derartige Schäden im Betrieb ausbreiten. Hierbei wird davon ausgegangen, dass derartige Schäden einen Anriss zwischen Deckschicht und Schaumkern darstellen. Deshalb wird für die Untersuchungen ein bruchmechanischer Ansatz gewählt. Zunächst wird eine mechanische Grundcharakterisierung der Sandwichstruktur in Form von Zug-, Schub- und Biegeversuchen vorgenommen. Es wird aufgezeigt, dass fertigungsbedingte Temperatureigenspannungen einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf das Versagensverhalten der Sandwichstruktur haben. Mithilfe von modifizierten DCB- und ENF-Versuchen wird das Deckschichtablöseverhalten unter quasi-statischen und zyklischen Belastungen untersucht. Um die Rissspitzenbeanspruchung, insbesondere die Kombination der Beanspruchungsmoden, korrekt erfassen zu können, werden die Experimente auch mithilfe der FEM ausgewertet. Dabei wird die Rissschließmethode basierend auf der Energiefreisetzungsrate in Nachlaufrechnungen angewendet. Die Ergebnisse in Form der kritischen Energiefreisetzungsraten und ihren VCCT-Modenanteilen sind die Grundlage für die Ermittlung kritischer Schadensgrößen der untersuchten Sandwichstrukturen mit teilweise abgelöster Deckschicht. Anschließend wird das Ermüdungsrisswachstum unter Wechsellast charakterisiert. Die dabei bestimmten Paris-Exponenten sind vergleichsweise hoch, was eine schadenstolerante Auslegung einer derartigen Sandwichstruktur erschwert. Insofern Rissfortschritt eintritt, wird er schnell verstärkt und die Restfestigkeit erreicht. Der Rissfortschritt ist unter globaler Mode-II-Belastung im ENF-Versuch deutlich geringer als im DCB-Test unter globaler Mode-I-Last. Mithilfe von 3- und 4-Punkt-Biegeversuchen an schlaggeschädigten Sandwichstrukturen werden die zuvor bestimmten Kennwerte und entwickelten Methoden überprüft. Eine Möglichkeit zur Eingrenzung oder zumindest Verlangsamung der Delaminationsausbreitung zwischen Deckschicht und Kern ist die Einbringung von Rissstoppern in die Sandwichstruktur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Rissstoppfunktion eines Kastenprofils und eines Doppel- T-Profils unter globaler Mode-I- und Mode-II-Belastung gezeigt. Das Doppel-T-Profils zeigt die bessere Wirkung.
CFRP foam core sandwich structures primarily exhibit a high weight-specific bending stiffness and therefore provide appropriate solutions for aircraft shell structures loaded in buckling. However, they are prone to out of plane loads. In service, impact damages can cause invisible face sheet disbondings. The propagation of such disbonding damages is the focus of the investigations presented in this thesis. Accordingly, it is assumed that the impact damage represents a crack between the face sheet and the foam core. In a first step, a basic characterization of the sandwich structure by tension, shear and bend testing is carried out. It is shown that thermal stresses caused by manufacturing have a significant influence on the sandwich failure behaviour. The face sheet disbonding under quasi-static and cyclic loads is investigated using modified DCB and ENF tests. To determine the crack tip loads and especially the combination of the mode components exactly, the tests are evaluated using Finite Element Analysis. Therefore, the Virtual Crack Closure Technique based on the energy release rate is used within post-processing routines. The results in terms of the critical energy release rates and the VCCT-mode-components provide the fundamental knowledge to determine critical damage sizes of partially debonded sandwich structures. Based on this, the fatigue crack growth under alternating loading is characterized. The calculated parameters of the Paris Law are quite high. This handicaps a damage tolerant design of the sandwich structure. If fatigue crack propagation occurs, the propagation rates rapidly increase and lead to global failure. The crack propagation under global mode-II-load measured by the ENF test is less than under global mode-I-load in the DCB test. Through three and four point bend testing of sandwich structures pre-damaged by impact, the properties and methods determined afore are finally evaluated. Integrated crack stop elements offer a chance to limit or to decrease the propagation of face sheet disbonding. Within this thesis, the crack stop capability of a double-T beam and a hollow profile under global mode-I- and mode-II-load is shown. Comparison of the results reveals a better performance of the integrated double-T beam.
Bruchmechanische Bewertung der Schadenstoleranz von CFK-Schaum-Sandwichstrukturen
2011
148 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
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