Sandwichstrukturen, die aus zwei dünnen, steifen Faserverbunddeckschichten und einem besonders leichten Kern bestehen, bieten eine sehr hohe gewichtsspezifische Tragfähigkeit und hervorragende Funktionsintegration z.B. in Form von thermischer und akustischer Dämmung. Derzeit hemmt jedoch die geringe Impactresistenz, d. h. die große Empfindlichkeit gegenüber Schlagschadigung, noch den Einsatz bei primaren Flugzeugstrukturen. Durch die vorliegenden Arbeit wird ein schnelles Simulationsverfahren zur Bewertung der Impactresistenz geschaffen. Für eine effiziente Verformungs- und Spannungsanalyse werden zwei neue, dreischichtige finite Schalenelemente entwickelt. Das Versagensverhalten von Kern und Deckschicht wird durch spannungsbasierte Versagenskriterien und schrittWeise lineare Degradationsmodelle modelliert, die anhand experimenteller Untersuchungen hergeleitet werden. Für die dynamische Analyse des transienten Impactvorgangs werden ein implizites und ein explizites Zeitintegrationsverfahren bewertet. Ausgewählte numerische Beispiele demonstrieren die Funktionsfähigkeit der verwendeten Modelle und Methoden. Zur Validierung der gesamten Impactsimulation werden die Ergebnisse eines Impactversuchsprogramms herangezogen. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigt eine sehr gute Übereinstimmung sowohl beim dynamischen Verformungsverhalten als auch bei der Größe der Kernschaden und bei der Entstehung der ersten Deckschicht-Risse. Darüber hinaus demonstrieren kurze Rechenzeiten die hohe Effizienz des Verfahrens. Damit steht für den Entwurf von doppelschaligen Leichtbaustrukturen ein neues Verfahren zur Verfügung, mit dem die Schadensresistenz schnell und zuverlassig bewertet werden kann.

    Sandwich structures consisting of two thin, stift composite face sheets and an especially soft core provide a very high weight-related load bearing capacity and an excellent functional integration by e.g. thermal and acoustic damping. The high sensitivity to impact loading is, however, a serious barrier for applications in primary aircraft structures. In this work a fast simulation method is developed to assess the impact resistance of sandwich structures. For an efficient deformation and stress analysis two new three-layered finite shell elements are developed. The failure behaviour of core and face sheets is modelled by stress-based failure criteria and stepwise linear degradation models, which have been deduced from experimental investigations. The degradation model for the face sheets considers fibre breakage and allows the prediction of face sheet tearing. For the dynamic analysis of the transient impact process an implicit and an explicit time integration scheme are applied and assessed with respecl to convergence. Representative examples demonstrate the effecliveness of the applied models and methods. To validate the whole impact simulation procedure, the results of an impact test program are used for reference. The comparison between experiment and simulation shows a very good agreement in the dynamic deformation behaviour as well as in the size of core damage and in the onset of face sheet tearing. Moreover, short computation times demonstrate the high efficiency of the simulation. Thus, a new tool is available for the design process, which can rapidly and reliably assess the damage resistance of lightweight structures.


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    Title :

    Effiziente Simulation von Schlagschädigungen in Faserverbund-Sandwichstrukturen


    Contributors:


    Publication date :

    2007


    Size :

    136 Seiten, 66 Bilder, 5 Tabellen, 142 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German




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