Vor dem Hintergrund, dass die Flugzeughersteller bei fortschreitender Entwicklung der Sicherheitsvorschriften auf dem Markt einem ständig steigenden Zeit- und Kostendruck ausgesetzt sind, werden Nachweise der Strukturfestigkeit künftig vermehrt auf rechnerischem Weg erbracht, ohne jedoch den Versuch als Nachweisverfahren abzulösen. Ferner sind Anforderungen der Fluggesellschaften nach leichten und damit sparsamen Flugzeugen mit geringen Inspektions- und Wartungsaufwänden zu berücksichtigen. Flugzeugstrukturen werden im Allgemeinen nach dem Schadenstoleranzkonzept ausgelegt, das heißt Risse und andere Schädigungen sind vorhanden und werden eine bestimmte Zeit ertragen, ohne dass sie zum Strukturversagen führen. Die Sicherstellung dessen erfolgt durch regelmäßige Inspektionen. Für die Festlegung eines Inspektionsprogramms ist dabei eine möglichst genaue Kenntnis zum Wachstumsverhalten von Rissen in der Struktur erforderlich. Mit dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten und numerisch umgesetzten Berechnungsverfahren wurde ein Werkzeug bereitgestellt, den Rissfortschritt in bestimmten Strukturbereichen auf rechnerischem Weg genauer zu bestimmen, als dies mit herkömmlichen Methoden realisierbar ist. Es bietet die Möglichkeit, den Rissfortschritt für unterschiedliche Belastungen bis hin zu realen Betriebslasten (Rissöffnungsmode I) realitätsnah darzustellen. Auf Basis der jeweiligen Änderung der Spannungsverteilung vor der Rissspitze während eines Belastungsschrittes erfolgt die Berechnung eines effektiven zyklischen Spannungsintensitätsfaktors. Mit Hilfe der PARIS-Gleichung als gängige Rissfortschrittsgleichung, jedoch ohne Korrekturansätze, erfolgt die Berechnung des Rissfortschritts lastpunktweise. Das entwickelte Verfahren wurde in Hinblick auf Plausibilität seiner Ergebnisse untersucht. Bei Einstufenbelastungen mit abweichenden Spannungsverhältnissen zeigen sich erwartungsgemäß höhere Rissfortschritte bei größerem Spannungsverhältnis und umgekehrt. Auch die Phänomene des verzögerten Rissfortschritts nach einer Zugüberlast bzw. des leicht beschleunigten Risswachstums nach einer Drucküberlast ließen sich mit dem entwickelten Verfahren nachweisen. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde dargestellt, dass die in unterschiedlichen Versuchsreihen ermittelten Rissfortschritte unter Anwendung des neuen Berechnungsverfahrens nachgebildet werden können. Sowohl für Ein- und Zweistufenbelastungen bei unterschiedlichen Spannungsverhältnissen als auch insbesondere für reale einachsige Flugprogrammabläufe wurden sehr gute Übereinstimmungen mit den experimentell ermittelten Rissfortschrittsverläufen festgestellt. Während die für reale Flugfolgen nach herkömmlichen Methoden berechneten Bauteillebensdauern durchschnittlich um ca. 50% von den während dieser Arbeit experimentell ermittelten abweichen, betragen die Abweichungen bei Anwendung der hier entwickelten Methode im Durchschnitt nur ca. 10%. Gegenüber herkömmlichen Rissfortschrittsberechnungsverfahren erfordert das neue Verfahren jedoch zusätzliche Eingangsinformationen zum Werkstoffverhalten, speziell zu dem für die jeweilige Belastung relevanten Spannungs-Dehnungs-Verhalten hinsichtlich der Erst- und Folgebelastung (und gegebenenfalls dessen Veränderung im Verlauf der Belastungen). Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Entwicklung des in dieser Arbeit dargestellten Rissfortschrittsberechnungsverfahrens eine Grundlage geschaffen wurde, den Rissfortschritt für unterschiedliche Belastungen bis hin zu realen Betriebslasten sehr genau vorherzusagen.
Einfluss variabler Belastungen auf das Rissfortschrittsverhalten in Flugzeugstrukturen
2009
116 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
Flugzeugbau , Sicherheitsvorschrift , Kosteneinsparung , Wechselfestigkeit , Wartungskosten , Schadensfrüherkennung , Toleranzfaktor , Rissfortschritt , Wachstumsrate , Rissöffnung , Spannungsverteilung (mechanisch) , Spannungsintensitätsfaktor , Belastungskollektiv , Berechnungsverfahren , numerische Analyse , Spannungs-Dehnungs-Verhalten , Inspektionsintervall
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