Die stetige Zunahme des kommerziellen Luftverkehrs in den letzten Jahrzehnten hat den Bedarf an effizienten Flugzeugen verstärkt, die neben verlängerter Betriebsdauer auch eine Reduktion der Kosten und des Umwelteinflusses ermöglichen. Die hiermit verbundenen Forderungen nach reduzierter Strukturmasse bei gleichzeitig verbessertem Ermüdungsverhalten stellen heutige Flugzeugstrukturen vor große Herausforderungen und haben den Wettkampf zwischen metallischen und faserverbundbasierten Konzepten deutlich verstärkt. Metallische Strukturkonzepte begegnen diesem verstärkten Wettkampf durch neu entwickelte Materialien und innovative Fertigungsverfahren, wie Hochgeschwindigkeitsfräsen, Laserstrahl- oder Reibrührschweißen, deren Kombination Einsparungen hinsichtlich des Strukturgewichts und der Herstellungskosten verspricht. Verglichen mit konventionellen, differentiellen Strukturen, weisen diese neuartigen Konzepte allerdings ein verschlechtertes Schadenstoleranzverhalten auf, welches auf die integrale Charakteristik zurückzuführen ist. Zur Gewährleistung zuverlässiger Lebensdauerabschätzungen für diese Strukturen werden daher Bewertungsmethoden benötigt, die in der Lage sind Fertigungseinflüsse zu berücksichtigen und einen hohen Grad an numerischer Effizienz aufweisen, um sie im Entwurfsprozess anwenden zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung und Verbesserung von Simulationsmethoden zur effizienten und zuverlässigen Beurteilung von Rissen und Rissfortschritt. Hierfür werden zwei Methoden eingeführt und untersucht, die jeweils auf unterschiedlichen Ansätzen beruhen und für verschiedene Anwendungsfälle vorgesehen sind. Eine Methode beruht allgemein auf analytischen Spannungsfunktionen und ermöglicht eine effiziente Simulation des gesamten Ermüdungsrisswachstums integral versteifter Strukturen. Die Betrachtungen basieren hierbei auf der grundsätzlichen Annahme eines ebenen Problems und sind auf reine Mode I Rissbelastungen beschränkt. Um zusätzlich Rissdrehung infolge gemischter Rissbelastungen untersuchen zu können, wird eine weitere Methode in Form einer erweiterten Finite Elemente Methode implementiert, die eine Darstellung von Rissen unabhängig von der Diskretisierung des Basisproblems ermöglicht. Die Kombination mit dem Konzept der Materiellen Kräfte, als alternatives Rissbeurteilungskriterium, ermöglicht hierbei eine automatisierte Simulation des Risswachstums unter gemischter Beanspruchung ohne Neuvernetzung der Rissgeometrie. Nach einer Validierung anhand einfacher Modellprobleme, werden die Methoden für Risswachstumsuntersuchungen an verschiedenen Konfigurationen integral versteifter Platten angewendet. Die Simulationen erfolgen hierbei unter Mode I und gemischter Belastung und untersuchen speziell den Einfluss zusätzlicher interner Spannungen, die aus dem Fertigungsprozess oder aus vorsätzlichen Vorspannungen der Versteifungen resultieren. Trotz der Beschränkung auf ebene Probleme zeigen die Methoden eine gute Übereinstimmung mit experimentellen und alternativen numerischen Ergebnissen, was ihre Anwendbarkeit zur Simulation von Ermüdungsrisswachstum und Rissdrehung in integral versteiften Flugzeugstrukturen bestätigt und weitergehende Untersuchungen zur Erweiterung auf dreidimensionale Probleme motiviert.

    The continuously expanding commercial air traffic of the last decades steadily increased the demand for highly efficient aircraft which offer extended operation times while reducing costs and environmental impact at the same time. The associated de sign requirements for reduced structural weight and improved fatigue life represent the major challenges for todays aircraft structures and have significantly intensified the competition between metallic and composite airframe applications. New metallic design concepts try to face this competition by combining latest materials and innovative manufacturing methods, like high speed machining, laser beam welding or friction stir welding, which allows for possible savings with respect to structural weight and manufacturing costs. However, due to their integral characteristics, the damage tolerance behaviour of these new designs is generally inferior to the common differential design. Reliable estimations on the fatigue life of integrally stiffened structures consequently necessitate assessment methodologies that are capable to include additional manufacturing influences and offer numerical efficiency in order to be practical for parametric studies during airframe design. Therefore, the development and enhancement of simulation methods for efficient and reliable evaluation of cracks and crack growth represents the main objective of this thesis. Two simulation methods are implemented and investigated for this purpose, that are based on different approaches and intended for distinct applications. One method is based on analytical stress function expressions and enables a very efficient evaluation of the complete fatigue crack growth life of cracked airframe structures. The proposed approach in this context is generally based on plane assumptions and limited to pure mode I crack loading. In order to be able to additionally consider crack turning under mixed mode loading, a second simulation method is presented which implements an extended finite element framework for a mesh independent representation of cracks in two dimensions. The additional combination with the material force concept, as alternative crack state parameter, allows for automated simulations of crack growth under mixed mode loading without any need for remeshing operations. Both simulation methods are validated based on different crack configurations and are applied for crack growth investigations of varying configurations of integrally stiffened panels under pure mode I and mixed mode loading conditions. In this context, a special focus is set on the influences of additional internal stresses that follow either from the applied manufacturing processes or an intentional prestressing of the stiffeners. Despite the general limitation to plane considerations, the proposed methods show a good accordance with experimental, theoretical and alternative numerical results. This demonstrates their capabilities to simulate fatigue crack growth and crack turning in integrally stiffened airframe structures and motivates further research with respect to a possible extension to three-dimensional problems.


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    Titel :

    Damage tolerance investigations of innovative metallic airframe structures


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2011


    Format / Umfang :

    257 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Englisch




    Damage tolerance investigations of innovative metallic airframe structures

    Häusler, Sascha Marc | GWLB - Gottfried Wilhelm Leibniz Bibliothek | 2011



    A Damage Tolerance and Fatigue Evaluation Approach for Composite Rotorcraft Airframe Structures

    Engleder, A. / Francescatti, D. / Burger, U. et al. | British Library Conference Proceedings | 2014


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    Ball, Dale / Norwood, D. / TerMaath, Stephanie | AIAA | 2006


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    Ansell, H. / International Committee on Aeronautical Fatigue | British Library Conference Proceedings | 1999