Untersuchung des Einflusses lagenvariabler Schäftungswinkel auf die Verbindungsfestigkeit geklebter Faserverbundreparaturen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss lagenvariabler Schäftungswinkel auf die Verbindungsfestigkeit geklebter Faserverbundreparaturen untersucht. Zunächst werden die Grundlagen herkömmlicher CFK-Reparaturverfahren und insbesondere die Vorteile geklebter Schäftungsverbindungen bei Zugbelastung vorgestellt. Bei Schäftungen zweier orthotroper Fügepartner entstehen im Gegensatz zu isotropen Werkstoffen versagensinitiierende Schubspannungsspitzen in der Klebschicht. Anhand einfacher mechanischer Modelle wird gezeigt, dass durch eine lagenvariablen Schäftungswinkeländerung diese Spannungsspitzen reduziert werden können. Dazu wird eine von der Steifigkeit der Lagen abhängige ideale Schäftungsgeometrie erstellt. Mithilfe einer Finite-Elemente-Simulation werden verschiedene variable Schäftungsgeometrien untersucht. Zunächst steht dabei die Analyse des Einflusses einzelner Parameter auf den Schubspannungsverlauf in der Klebschicht im Vordergrund. Es werden die Auswirkungen verschiedener Winkeländerungen, Laminataufbauten, Klebschichtgeometrien und erhöhter Umgebungstemperaturen untersucht. Zusätzlich werden die Zugfestigkeiten der einzelnen Geometrien ausgewertet. Ein weiteres Potential der variablen Schäftung besteht in der Verkürzung der Reparaturlänge. Inwiefern dies möglich ist, wird ebenfalls mithilfe der FEM untersucht. Ausgehend von den numerischen Ergebnissen wird ein Couponprobenprogramm zur Prüfung der Schäftungsgeometrien mittels Zugversuch erstellt. Dabei können die in der Simulation gezeigten Tendenzen bestätigt werden. Außerdem wurde eine Korrelation zwischen der Fertigungsqualität der Probekörper und Versagenseintritt festgestellt.