Schlagschädigung und Restfestigkeit von Faserverbunden

Abstract

Die Entstehung und Ausbreitung von Schäden in Faserverbundwerkstoffen ist zur Zeit Gegenstand intensiver Forschung, denn um Faserverbundwerkstoffe wirtschaftlich einsetzen zu können, ist es erforderlich, die Tragfähigkeit von geschädigten Bauteilen schon in der Entwurfsphase zuverlässig numerisch abzuschätzen, um tragende Bauteile nicht überdimensionieren, bzw. kleine Schäden nicht sofort ausbessern zu müssen. Ein Verfahren zur Impact- und Restfestigkeitsberechnung von Platten, die in Längsrichtung mit Hilfe von Stringern versteift sind, wird vorgestellt. Es wird auf Teststrukturen eines Flugzeugrumpfes angewendet, um diese hinsichtlich ihres Impactverhaltens und der Restfestigkeit nach einem Impact zu berechnen. Um im Entwurfsprozeß schnell zu Ergebnissen zu kommen, ist ein effizientes Verfahren notwendig. Für die verteifte Platte wird ein FE-Modell erstellt, in dem Mindlin-Plattenelemente (mit denen die Querschubeffekte erfasst werden), mit Balkenelementen gekoppelt sind. Die Kopplung zwischen Platte und Impactor erfolgt über das Hertzsche Kontaktgesetz. Zunächst wird in der transienten Impactanalyse ein detaillierter Schadenszustand berechnet, der im Laminat lagenweise Aufschluss über die Verteilung von Delaminationen, Faser- und Matrixbrüchen gibt. Für jede Versagensart kommt ein eigenes Versagenskriterium zur Anwendung. Das Delaminationskriterium basiert auf einer empirisch ermittelten Beziehung. Der Impactanalyse schließt sich eine Restfestigkeitsberechnung an ("compression after impact, CAI"). Im Bereich der Delaminationen wird eine Beulanalyse durchgeführt, wobei deren Form als elliptisch angenommen wird. Der Schadensbereich wird als ein weicher Einschluss (softening inclusion) innerhalb des unbeschädigten Materials modelliert. Dabei wird die Steifigkeit des geschädigten Materials je nach Schadenszustand abgemindert. Nach der Beulanalyse wird die Restfestigkeit des Bauteils unter Benutzung des so genannten "Damage Influence Criterions" berechnet. Die Simulationsberechnungen werden experimentellen Daten gegenübergestellt, die in Zusammenarbeit mit der DASA bei Impacts an 6 CFK-Paneelen gewonnen wurden.