Ein Beitrag zur Untersuchung des Schadenstoleranzverhaltens von Honigwaben-Sandwichstrukturen unter statischen Vorlasten

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Chris Fischer

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Sandwichstrukturen mit kohlenstofffaserverstärkten Deckschichten und Honigwabenker-nen werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials zunehmend in der Luftfahrt einge-setzt. Sie bieten hervorragende gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten, sind jedoch empfindlich gegenüber Schlagbelastungen senkrecht zur Struktur. Schlagschäden sind dabei oft von außen nicht sichtbar, können aber die Resttragfähigkeit signifikant be-einträchtigen. Für die luftfahrttechnische Zulassung müssen daher Schadenstoleranzei-genschaften nachgewiesen werden bislang primär durch aufwendige, kostenintensive experimentelle Versuche an unbelasteten Proben. Die vorliegende Dissertation untersucht systematisch den Einfluss statischer Druckvorlasten auf das Schlagschädigungsverhalten solcher Sandwichstrukturen. Ziel ist es, ein realistisches Bild des Bauteilverhaltens unter einsatznahen Bedingungen zu erhal-ten, da in realen Anwendungen selbst im Ruhezustand bereits strukturelle Vorlasten vorhanden sind. Ein zentraler Bestandteil der Arbeit ist die Entwicklung und Validierung eines detaillierten Simulationsverfahrens, das die Deckschicht- und Kernbestandteile explizit abbildet und auf experimentell bestimmten Materialkennwerten basiert. Für die Kalibrierung und Validierung werden umfangreiche mechanische Versuche (Zug, Druck, Schub) an den Einzelmateriali-en sowie Schlagversuche unter Druckvorlasten durchgeführt. Eine neu entwickelte Ver-suchsvorrichtung ermöglicht die kontrollierte Einbringung statischer Vorlasten und an-schließender Schlagschädigung. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Druckvorlasten das Schadensverhalten deut-lich beeinflussen insbesondere im Bereich niedriger Schlagenergien. Die Art und Aus-breitung der Schädigung sowie die Resttragfähigkeit hängen stark von der Vorlast ab. Die erarbeitete Simulationsmethodik bildet diese Effekte realitätsnah ab und erlaubt eine de-taillierte Analyse der lokalen Schadensmechanismen. So lassen sich gezielt Einflüsse von Strukturparametern wie Lagenanzahl, Zellweite oder Kerndichte untersuchen. Die Arbeit liefert damit einen wichtigen Beitrag zur schadenstoleranten Auslegung von Sandwichbauteilen. Sie zeigt auf, dass strukturelle Druckvorlasten in der Auslegung künf-tig mitberücksichtigt werden müssen sowohl im experimentellen Nachweisverfahren als auch in numerischen Simulationen um die Sicherheit und Effizienz moderner Luftfahr-zeugstrukturen weiter zu verbessern.