52 research outputs found
Neue Auslegungsmethode für in der Ebene belastete Gewindeeinsätze in Sandwichprofilen mit Wabenkern
No full textSandwich structures are used in weight-optimized structures due to their excellent properties interms of their stiffness-to-weight ratio. Nevertheless, they have a weakness: threads cannot be cut into the materials. Therefore, metallic inserts with internal threads are potted into the sandwiche structure at the required position. These insert connections have long been researched and standardized in the aerospace industry. The INSERT DESIGN HANDBOOK is a compilation of these research results and also provides methods for calculating the maximum strength of these joints. Out-of-plane loaded inserts have been investigated and the calculation method verified in many scientific studies. In contrast, in-plane failure of insert connections has been poorly discussed to this day. Therefore, it is not surprising that the given calculation formuladoes not properly represent the tests and is thus unsuitable. As a result, tests must be carriedout to determine the strength of each individual connection. As a consequence, the aim of the present work is to develop a new design method to calculate the failure load of in-plane loaded inserts. For this purpose, the failure mode under this load is first determined experimentally and verified with the aid of FE simulations. In this process, a crack in the adhesive is identified which is causal for the failure of this connection. Basedon the failure mode, a spring-based model is developed. Since there was a large scatter in the tests carried out so far, further samples are tested on which the replacement model is verified. Since the tests carried out so far have shown large deviations, further specimens will be tested to verify the developed model. A parameter study carried out after this shows that manufacturing tolerances have a significant influence on crack initiation and thus cause the large deviations inthe tests. This influence is verified in specially developed tests. By comparing the findings with the calculation formula, it is possible to explain why the calculation formula is not useful. Since the tolerances due to manufacturing cannot be controlled with current manufacturing methods,the maximum force of a specimen varies significantly, so it is not reasonable to determine adesign value based on the maximum strength. Therefore, a new design philosophy is needed: For each test, the force drops to a relatively high load level at which the threaded insert is pulled further through the sandwich structure. As a result, the face layer is compressed and continuously destroyed. The force required to do this is independent of the adhesive and therefore the same for all specimens in a joint. Consequently, this force, which is calculated using the hole reveal formula, is used as the new design value for an in-plane loaded connection
Sandwichstrukturen mit Wabenkern: Experimentelle und numerische Analyse des Schädigungsverhaltens unter statischer und kurzzeitdynamischer Belastung
No full textSandwichstrukturen mit einem Wabenkern und Faserverbund-Deckschichten finden
aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend Verwendung in zahlreichen
Konstruktionen, in denen eine Gewichtsersparnis angestrebt wird – allen voran im
Flugzeugbau. Im gleichen Zuge werden in der Produktentwicklung aus Effizienzgründen
verstärkt numerische Simulationsrechnungen auf Basis der Finite-Elemente-
Methode verwendet, um Bauteile für statische oder kurzzeitdynamische Belastungen
wie Crash- oder Impact-Belastungen auszulegen.
Die nichtlineare Materialmodellierung derartiger inhomogener Sandwichstrukturen
stellt aufgrund einer Vielzahl möglicher Versagensarten eine komplexe Aufgabe dar.
Da gerade auch im Fall von kurzzeitdynamischen Belastungen, bei denen Dehnrateneffekte
eine Rolle spielen können, wenig Kenntnis bezüglich des Materialverhaltens
besteht, setzt die vorliegende Arbeit an dieser Stelle an, um das Schädigungsverhalten
von Sandwichstrukturen im Flugzeugbau experimentell zu erfassen und
geeignete Modellierungsmethoden in der kommerziellen expliziten Berechnungssoftware
LS-DYNA zu entwickeln.
Neben den im Luftfahrtbereich etablierten Nomex®-Honigwaben wurden auch neuartige
Faltwaben untersucht, wobei zunächst das mechanische Verhalten beider Wabentypen
unter quasi-statischen und hochdynamischen Lastraten charakterisiert
wurde. Neben der experimentellen Bestimmung der Materialeigenschaften wurden
alternativ analytische und numerische Methoden angewendet. Insbesondere die virtuellen
Werkstoffprüfungen mittels dynamischer Simulationen und Mesomodellen
zeigten dabei das Potenzial, auf effiziente Weise und mit einer hohen Ergebnisgenauigkeit
das mechanische Verhalten von Wabenkernen vorherzusagen.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung der in der Passagierkabine
verwendeten Sandwichstrukturen, welche aus Brandschutzgründen mit Deckschichten
aus glasfaserverstärkten Phenoplasten ausgeführt sind. In Versuchsreihen wurden
der Dehnrateneffekt des Deckschichtmaterials, die Festigkeit der Kern-
Deckschicht-Verklebung, der Einfluss des Herstellverfahrens auf die mechanischen
Eigenschaften sowie die Versagensarten unter ebener und transversaler Belastung
untersucht und in numerischen Modellen abgebildet. Da insbesondere Lasteinleitungs- und Verbindungsstellen potenzielle Versagensstellen
von Konstruktionen in Sandwichbauweise sein können, wurde das Schädigungsverhalten
von unterschiedlichen Kanten- und Insert-Verbindungen experimentell untersucht.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden Modellierungsmethoden entwickelt,
die eine Abbildung des Versagensverhaltens ermöglichen.
Im Rahmen der Versuchsreihen stellte sich ein transversales Kernschubversagen als
eine dominierende Schädigungsart heraus. Da unter Verwendung einer Schalenmodellierung
für die Sandwichstruktur in der Berechnungssoftware LS-DYNA kein Materialmodell
für den Wabenkern existiert, welches ein solches Versagen abbilden kann,
wurde hierfür ein benutzerdefiniertes orthotropes Werkstoffgesetz entwickelt. Neben
dem Transversalschubversagen wurden hierin auch die weiteren in dieser Arbeit ermittelten
Charakteristika von Wabenkernen wie ein nichtlineares Nachversagensverhalten
oder ein Dehnrateneffekt implementiert.
In dieser Arbeit wurden zahlreiche neue Erkenntnisse zum einen hinsichtlich des Materialverhaltens
der untersuchten Sandwichstrukturen und zum anderen hinsichtlich
der Modellierungsmethoden gewonnen. Diese Erkenntnisse lassen sich für eine Vielzahl
unterschiedlicher nichtlinearer Problemstellungen bei Sandwichstrukturen in der
Luftfahrt einsetzen und finden innerhalb dieser Arbeit in drei exemplarischen kurzzeitdynamischen
Lastfällen Anwendung: die Simulation von Kabinenkomponenten
bei einer harten Landung, die Impact-Belastung einer Faltwaben-Sandwichstruktur
sowie die Crashsimulation eines Rumpfsegments in Sandwichbauweise
Sandwichstrukturen mit Wabenkern experimentelle und numerische Analyse des Schädigungsverhaltens unter statischer und kurzzeitdynamischer Belastung
No full textSandwichstrukturen mit Wabenkern: Experimentelle und numerische Analyse des Schädigungsverhaltens unter statischer und kurzzeitdynamischer Belastung
No full textBearing Mode Absorber – On the Energy Absorption Capability of Pulling a Bolt through a Composite or Sandwich Plate
No full textAbstractAn experimental study was conducted to investigate the energy absorption capability of continuously pulling a metallic bolt through a composite or sandwich plate. The influence of various parameters like the fibre and matrix material as well as the fibre architecture and angle on the specific energy absorption under quasi-static and high-rate dynamic loading was assessed. The achievable quasi-static weight-specific energy absorption (SEA) values up to 164kJ/kg are very promising compared to classical absorbers. Considerable strain rate effects led to significantly lower values under high-rate loading, though. The thin-skinned sandwich specimens used in this study were not competitive with lower SEA values
High-Velocity Impact Behaviour of Prestressed Composite Plates under Bird Strike Loading
No full textAn experimental and numerical analysis of the response of laminated composite plates under high-velocity impact loads of soft body gelatine projectiles (artificial birds) is presented. The plates are exposed to tensile and compressive preloads before impact in order to cover realistic loading conditions of representative aeronautic structures under foreign object impact. The modelling methodology for the composite material, delamination interfaces, impact projectile, and preload using the commercial finite element code Abaqus are presented in detail. Finally, the influence of prestress and of different delamination modelling approaches on the impact response is discussed and a comparison to experimental test data is given. Tensile and compressive preloading was found to have an influence on the damage pattern. Although this general behaviour could be predicted well by the simulations, further numerical challenges for improved bird strike simulation accuracy are highlighted
Layout Topology Optimization of Unconventionally Stiffened CFRP-Structures Considering Manufacturing Constraints
No full textKohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) haben Aluminium in modernen Verkehrsflugzeugen weitgehend ersetzt, doch die traditionelle Stringer-Spant-Bauweise schöpft das Leichtbaupotenzial nicht aus. Der Einsatz einer Topologieoptimierung zur lastpfadgerechten Positionierung der Rumpfversteifungen verspricht hohe Gewichtseinsparungen. Allerdings erschweren die resultierenden, unkonventionellen Anordnungen die Auswahl, Strukturauslegung und Fertigung geeigneter Versteifungslayouts erheblich. Da strukturmechanische Berechnungen rechenintensiv sind und Fertigbarkeit erst nachgelagert überprüft wird, scheitern unkonventionelle Konzepte meist an aufwändigen Iterationsschleifen. Im Projekt wurde eine integrierte, zweistufige Bewertungsmethode zur effizienten Identifizierung strukturell optimaler und fertigungsgerechter Versteifungslayouts entwickelt. Für die ersten Bewertungsebene wurde ein Algorithmus entwickelt, der Layouts gegen strukturmechanische Ausschlusskriterien abgleicht und ungeeignete Varianten automatisch aussortiert. Die Festlegung auf 45°- bzw. 30°/60°-Winkel vermeidet kritische Herstellungswinkel und komplexe Laminatsituationen in den Kreuzungsbereichen. Eine strategische Neuausrichtung in der zweiten Bewertungsebene ermöglicht die Ableitung präziser Geometrie-, Gewichts- und Kostendaten für beliebige Layouts anstatt ungenauer Parameterbereiche. Ein automatisierter Algorithmus leitet herstellbare Omega-Profile ab, die strukturelle Anforderungen maximieren. Statt statischer Designregeln wurden dynamische, parametrische Prozessgrenzenmodelle implementiert, die Fertigbarkeitsgrenzen direkt aus konfigurierbaren Systemparametern berechnen und systemagnostische Übertragbarkeit gewährleisten. Die entwickelten Prozessmodelle ermöglichten die systematische Formalisierung von AFP-Fertigungswissen und helfen somit, Verbesserungspotenzial bei Fertigungsanlagen aufzudecken. Prozessanalysen unterstrichen, dass Kostenoptimierung eine untergeordnete Rolle gegenüber Strukturintegrität spielt. Es wurde nachgewiesen, dass vereinfachte Simulationsmodelle zur Strukturberechnung die Rechenzeit im Vergleich zu detaillierten Modellen mit vielen Freiheitsgraden signifikant reduzieren können. Gleichzeitig zeigte sich, dass die vereinfachte Modellierung in bestimmten Lastfällen Abweichungen erzeugt, die für den Vorentwurf nicht akzeptabel sind. Besonders die große Vielfalt möglicher Versteifungstopologien und -profile gestaltete die Entwicklung eines universell anwendbaren Ansatzes zur reduzierten Modellierung anspruchsvoll. Daraus ergibt sich ein klarer Bedarf für weiterführende Forschung, um robuste Methoden für die zuverlässige und zugleich effiziente Auslegung komplexer Versteifungsstrukturen zu entwickeln. Die im Rahmen des Projektes vorgestellten Ergebnisse haben das Verständnis zur Bewertung von unkonventionell versteiften Strukturen im frühen Vorentwurf signifikant erweitert und ermöglichen es, Layouts fundiert hinsichtlich Masse, Herstellkosten und Herstellbarkeit zu bewerten.Carbon-fibre-reinforced plastics (CFRP) have largely replaced aluminum in modern commercial aircraft, yet the traditional stringer-frame construction does not fully exploit the lightweight potential. The use of topology optimization for loadpath-oriented positioning of fuselage stiffeners promises high weight savings. However, the resulting unconventional arrangements significantly complicate the selection, structural design, and manufacturing of suitable stiffener layouts. Since structural mechanical calculations are computationally intensive and manufacturability is only verified downstream, unconventional concepts typically fail due to elaborate iterative loops. The project developed an integrated, two-stage evaluation method for efficiently identifying structurally optimal and manufacturable stiffener layouts. For the first evaluation level, an algorithm was developed that compares layouts against structural mechanical exclusion criteria and automatically eliminates unsuitable variants. The definition of 45° and 30°/60° angles avoids critical manufacturing angles and complex laminate situations in intersection areas. A strategic reorientation in the second evaluation level enables the derivation of precise geometry, weight, and cost data for arbitrary layouts instead of imprecise parameter ranges. An automated algorithm derives manufacturable omega-profiles that maximize structural requirements. Instead of static design rules, dynamic, parametric process boundary models were implemented that calculate manufacturability limits directly from configurable system parameters and ensure systemagnostic transferability. The developed process models enabled the systematic formalization of AFP manufacturing knowledge and thus help to identify potential for improvement in manufacturing equipment and process. Process analyses emphasized that cost optimization plays a subordinate role compared to structural integrity. It was demonstrated that simplified simulation models for structural calculation can significantly reduce computing time compared to detailed models with many degrees of freedom. Simultaneously, it was shown that simplified modeling generates deviations in certain load cases that are not acceptable for preliminary design. Particularly the large variety of possible stiffener topologies and profiles made the development of a universally applicable approach for reduced modeling challenging. This results in a clear need for further research to develop robust methods for reliable and simultaneously efficient modeling of complex stiffener structures. The results presented within the project have significantly expanded the understanding for evaluating unconventionally stiffened structures in early preliminary design and enable layouts to be assessed soundly regarding mass, manufacturing costs, and manufacturability
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