Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff - Versuche und FE-Berechnungen

Schlanke oder dünnwandige Strukturelemente neigen unter Druckbelastung dazu, sich durch seitliches Ausweichen der Aufnahme hoher Lasten zu entziehen. Dieses Ausweichen tritt oft plötzlich und ohne Ankündigung auf und begrenzt das Tragvermögen. Der Vorgang wird bei Stäben als Knicken, bei Platten und Schalen als Beulen bezeichnet. Knicken und Beulen werden gemeinsam unter dem Begriff Stabilitätsproblem zusammengefasst. Die Diskussion des Beulverhaltens galt bisher überwiegend der idealen Struktur. In der Realität weisen die Strukturen Abweichungen von der idealen Gestalt auf, die Lasten werden nicht genau den Annahmen entsprechend eingeleitet oder die Steifigkeiten zeigen örtliche Abweichungen vom Sollwert. All diese Unregelmäßigkeiten werden unter dem Begriff Imperfektionen zusammengefasst. Sie bewirken, dass die maximale Belastbarkeit verringert wird. Der Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Imperfektionen liegt auf den geometrischen Imperfektionen. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass selbst sehr kleine Abweichungen vom idealisierten Zustand einen großen Einfluss haben können. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist die Anzahl der Variationsmöglichkeiten einer Kreiszylinderschale durch die zusätzlichen Parameter Anzahl, Dicke und Faserorientierungen der Einzelschichten im Vergleich zu isotropen Werkstoffen um ein Vielfaches höher. Die Anzahl der durchgeführten Versuche aber ist um ein Vielfaches niedriger. Da im Bereich der Luft- und Raumfahrt Faserverbundwerkstoffen jedoch eine immer größere Bedeutung zukommt, werden Untersuchungen mit dieser Materie zunehmend wichtiger. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Beulverhalten untersuchen zu können, muss das Modell der Finite Elemente Methode durch Vergleiche mit Versuchsergebnissen verifiziert werden. Für die Untersuchungen mit der Methode der Finiten Elemente wird das kommerzielle Programmpaket ABAQUS verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten der unversteiften Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff abgebildet und beschrieben. Dabei wurden sowohl die Probleme bei der Auswahl der Parameter der Berechnung als auch die Probleme bei der Verwendung kommerzieller FE-Tools als Black-Box aufgezeigt. Da die mögliche Anzahl der zu wählenden Parameter mannigfaltig ist, wurde zu jeder Teilaufgabe nur eine sehr eingeschränkte, möglichst repräsentative Auswahl getroffen, um den Umfang dieser Arbeit zu begrenzen. [...]

Klappentext

Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Luft- und Raumfahrttechnik, Note: 2,0, Universität Kassel (Institut für Strukturmechanik), Sprache: Deutsch, Abstract: Schlanke oder dünnwandige Strukturelemente neigen unter Druckbelastung dazu, sich durch seitliches Ausweichen der Aufnahme hoher Lasten zu entziehen. Dieses Ausweichen tritt oft plötzlich und ohne Ankündigung auf und begrenzt das Tragvermögen. Der Vorgang wird bei Stäben als Knicken, bei Platten und Schalen als Beulen bezeichnet. Knicken und Beulen werden gemeinsam unter dem Begriff Stabilitätsproblem zusammengefasst. Die Diskussion des Beulverhaltens galt bisher überwiegend der idealen Struktur. In der Realität weisen die Strukturen Abweichungen von der idealen Gestalt auf, die Lasten werden nicht genau den Annahmen entsprechend eingeleitet oder die Steifigkeiten zeigen örtliche Abweichungen vom Sollwert. All diese Unregelmäßigkeiten werden unter dem Begriff Imperfektionen zusammengefasst. Sie bewirken, dass die maximale Belastbarkeit verringert wird. Der Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Imperfektionen liegt auf den geometrischen Imperfektionen. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass selbst sehr kleine Abweichungen vom idealisierten Zustand einen großen Einfluss haben können. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist die Anzahl der Variationsmöglichkeiten einer Kreiszylinderschale durch die zusätzlichen Parameter Anzahl, Dicke und Faserorientierungen der Einzelschichten im Vergleich zu isotropen Werkstoffen um ein Vielfaches höher. Die Anzahl der durchgeführten Versuche aber ist um ein Vielfaches niedriger. Da im Bereich der Luft- und Raumfahrt Faserverbundwerkstoffen jedoch eine immer größere Bedeutung zukommt, werden Untersuchungen mit dieser Materie zunehmend wichtiger. Um den Einfluss verschiedener Parameter auf das Beulverhalten untersuchen zu können, muss das Modell der Finite Elemente Methode durch Vergleiche mit Versuchsergebnissen verifiziert werden. Für die Untersuchungen mit der Methode der Finiten Elemente wird das kommerzielle Programmpaket ABAQUS verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten der unversteiften Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff abgebildet und beschrieben. Dabei wurden sowohl die Probleme bei der Auswahl der Parameter der Berechnung als auch die Probleme bei der Verwendung kommerzieller FE-Tools als Black-Box aufgezeigt. Da die mögliche Anzahl der zu wählenden Parameter mannigfaltig ist, wurde zu jeder Teilaufgabe nur eine sehr eingeschränkte, möglichst repräsentative Auswahl getroffen, um den Umfang dieser Arbeit zu begrenzen. [...]