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April 2016
Falk Hähnel
Ein Beitrag zur Simulation des Versagens von Honigwaben aus Meta-Aramid-Papier in schlagbelasteten Sandwich-Strukturen
In Luftfahrzeugen werden häufig Strukturbauteile in Sandwich-Bauweise ausgeführt. In Verbindung mit Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in den Deckschichten und Nomex®-Honigwaben als Kerne besitzen diese Strukturen hohe gewichtsspezifische Eigenschaften. Aufgrund der dünnen Deckschichten und der weichen Wabenkerne sind die Sandwich-Bauteile anfällig gegenüber Schlagbelastungen senkrecht zur Bauteiloberfläche. Im Rahmen des für Flugzeugstrukturen erforderlichen Schadenstoleranznachweises wird das Schädigungsverhalten der Sandwich-Strukturen in meist aufwendigen und damit kostenintensiven experimentellen Untersuchungen ermittelt. Der Einsatz von Simulationsmethoden kann eine Reduktion des Aufwandes bewirken. Das erfordert jedoch Simulationsmodelle, die alle signifikanten Versagensmechanismen der betrachteten Struktur erfassen. So wird hier eine Vorgehensweise zur numerischen Vorhersage der Ausbreitung von Schlagschäden in Sandwich-Strukturen mit Nomex®-Wabenkernen vorgestellt, die auf einer realitätsnahen Idealisierung der Kernstruktur basiert. Von der Analyse des Wabenaufbaus ausgehend werden Anforderungen an das Simulationsmodell abgeleitet. Daran schließt die experimentelle Bestimmung der Eigenschaften der Wabenzellwandmaterialien an. Darauf aufbauend wird ein Simulationsmodell der Zellwände entwickelt und validiert. Unter dessen Verwendung wird ein Simulationsmodell einer beispielhaften Nomex®-Honigwabe erstellt und unter Berücksichtigung verschiedener Lastfälle anhand ebenfalls durchgeführter experimenteller Wabenkernuntersuchungen validiert. Abschließende beispielhafte Simulationen von Schlagbelastungen auf Sandwich-Platten mit Nomex®-Honigwabenkernen demonstrieren die mit dem entwickelten Simulationsmodell erzielbare hohe Vorhersagequalität für Schlagschädigungen.
Schlagwörter: Flugzeugbau; Schadenstoleranz; Sandwichbauweise; Honigwabenkern; Nomex-Papier; Schlagbelastung; mechanische Eigenschaften; Werkstoffprüfung; Finite-Elemente-Methode
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