Effiziente Simulation von Schlagschädigungen in Faserverbund-Sandwichstrukturen

Abstract

Sandwichstrukturen, die aus zwei dünnen, steifen Faserverbunddeckschichten und einem besonders leichten Kern bestehen, bieten eine sehr hohe gewichtsspezifische Tragfähigkeit und hervorragende Funktionsintegration z.B. in Form von thermischer und akustischer Dämmung. Derzeit hemmt jedoch die geringe Impactresistenz, d. h. die große Empfindlichkeit gegenüber Schlagschädigung, noch den Einsatz bei primären Flugzeugstrukturen. Durch die vorliegende Arbeit wird ein schnelles Simulationsverfahren zur Bewertung der Impactresistenz geschaffen. Für eine effiziente Verformungs- und Spannungsanalyse werden zwei neue, dreischichtige finite Schalenelemente entwickelt. Das Versagensverhalten von Kern und Deckschicht wird durch spannungsbasierte Versagenskriterien und schrittweise lineare Degradationsmodelle modelliert, die anhand experimenteller Untersuchungen hergeleitet werden. Für die dynamische Analyse des transienten Impactvorgangs werden ein implizites und ein explizites Zeitintegrationsverfahren bewertet. Ausgewählte numerische Beispiele demonstrieren die Funktionsfähigkeit der verwendeten Modelle und Methoden. Zur Validierung der gesamten Impactsimulation werden die Ergebnisse eines Impactversuchsprogramms herangezogen. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigt eine sehr gute Übereinstimmung sowohl beim dynamischen Verformungsverhalten als auch bei der Größe der Kernschäden und bei der Entstehung der ersten Deckschicht-Risse. Darüber hinaus demonstrieren kurze Rechenzeiten die hohe Effizienz des Verfahrens. Damit steht für den Entwurf von doppelschaligen Leichtbaustrukturen ein neues Verfahren zur Verfügung, mit dem die Schadensresistenz schnell und zuverlässig bewertet werden kann.