Numerische Simulation von progressivem Lochleibungsversagen an Bolzenverbindungen von CFK-Strukturen

Kurzfassung

Die zunehmende Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunstoffen (CFK) in Primärstrukturen von Transportflugzeugen erfordert die Entwicklung neuartiger Crashkonzepte. Einem im Allgemeinen spröden Versagensverhalten von CFK, verbunden mit eingeschränkter Energieabsorption, kann durch eine crashsichere Auslegung mit zusätzlichen Crashabsorbern in der Flugzeugrumpfstruktur entgegengewirkt werden. Ein derzeit am DLR untersuchtes Absorberkonzept betrachtet ein kontrolliertes, progressives Lochleibungsversagen von bestehenden Bolzenverbindungen in einer CFK-Rumpfstruktur. Im Crashfall auftretende Zugkräfte in der Rumpfstruktur sollen hierbei zur Energieabsorption genutzt werden, ohne den Einbau zusätzlicher Crashabsorber mit entsprechendem Mehrgewicht. In diesem Kontext wurden umfangreiche experimentelle Studien an Bolzenverbindungen von CFKBauteilen mit dem Ziel durchgeführt, ein kontrolliertes Lochleibungsversagens bei vordefiniertem Versagensweg und robustem Verhalten unter diversen Off-axis Belastungen sicherzustellen. Quasistatische sowie crashrelevante dynamische (v = 2m/s) Belastungen wurden hierfür betrachtet. Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt in der numerischen Simulation, mit dem Fokus auf der Entwicklung von Modellierungsmethoden mit denen die komplexen Versagensmechanismen bei progressiver Lochleibung unter Nutzung der expliziten Finite Elemente Methode (ABAQUS/Explicit) abgebildet werden können. Dieser Vortrag zeigt zunächst Simulationsergebnisse mit einer Modellierungsmethode gemäß Stand der Technik. Typische Merkmale bei der Simulation von progressivem Stauchversagen von CFK (z.B. ungleichmäßiger Kraft-Weg-Verlauf) sowie eine ausgeprägte Netzabhängigkeit (Lochleibungsversagen entlang der Elementkanten) werden dargestellt. Anschließend werden Schritte zur Entwicklung einer Modellierung aufgezeigt, mit der die Simulation eines nahezu netzunabhängigen, kontinuierlichen Lochleibungsversagens realisiert werden konnte. Diskutiert wird ebenfalls ein praxisrelevanter Ansatz zur Kalibrierung versagensrelevanter Eingabedaten (Bruchenergien) für die Berechnung von stark ausgeprägten Fragmentierungsvorgängen. Abschließend wird die Validierung der entwickelten Modellierungsmethode für ein-schnittige, vorgespannte Bolzenverbindungen gezeigt. Simulationsergebnisse werden verglichen mit experimentellen Ergebnissen verschiedener Probenvarianten (Geometrie, Belastungsrichtung).