Zusammenfassung
Die Bestimmung der mechanischen Produkteigenschaften mithilfe von realen Tests ist
einer der Hauptkostentreiber im Entwicklungsprozess von Leichtbauprodukten. Die Implementierung von virtuellen Testmethoden basierend auf der Finiten-Elemente-Methode kann wesentlich zur Reduzierung der Entwicklungskosten beitragen. Jedoch weisen insbesondere Verbundfasersandwichstrukturen ein kompliziertes Versagensverhalten auf. Dies macht Festigkeitsvorhersagen mit Hilfe von FE-Simulationen schwierig. Die
vorliegende Arbeit bewältigt dieses Problem durch die Entwicklung eines virtuellen Testverfahrens für Sandwichstrukturen. Das Testverfahren basiert auf dem sogenannten
Building Block Approach, welcher für die Entwicklung von Verbundfaserstrukturen vorrangig für Luftfahrtanwendungen entwickelt wurde. Er ist durch die typische Gliederung
in Konstituenten, Strukturelementen, Sub-Komponenten und Komponenten als Komplexitätsebenen gekennzeichnet. Der Fokus des entwickelten virtuellen Testverfahrens liegt
auf der Festigkeitsvorhersage von Verbindungselementen als typischer Schwachpunkt
von Sandwichstrukturen. Es deckt daher Untersuchungen bis hin zur Sub-Komponentenebene ab, während die Untersuchungen auf Konstituenten- und Strukturelementebene
durch einen hohen Detailgrad zur adäquaten Abbildung des komplizierten Versagensverhaltens an Verbindungstellen gekennzeichnet sind.
In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Sandwichmaterialen und –konfigurationen experimentell und numerisch in den drei betrachteten Komplexitätsebenen untersucht. Mit den durchgeführten Studien wird ein virtuelles Testverfahren entwickelt. Auf
Konstituentenebene werden der Kern, die Deckschichten und der Kleber untersucht, wobei der Fokus auf dem Kern liegt, da das lokale Versagen häufig durch die Kernmechanik
dominiert wird. In diesem Zusammenhang wird eine detaillierte Meso-Modellierung für
den Kern entwickelt, welche alle relevanten Kernschadensmechanismen abbildet. Auf
Strukturelementebene werden verschiedene Sandwichpanels basierend auf standardisierten Biege- und Schubtests analysiert. Die Tests werden als virtuelle Tests basierend
auf den Erkenntnissen der Konstituentenebene entwickelt. Es werden sowohl MesoKernmodelle als auch 3D-Kontinuumkernmodelle in einer vergleichenden Studie umgesetzt. Dabei können die zuvor bestimmten Materialparameter validiert werden. Auf SubKomponentenebene werden schließlich verschiedene Sandwich-Insertkonfigurationen
sowie eine Eckverbindung experimentell untersucht. Basierend auf den vorherigen Komplexitätsebenen werden diese Verbindungselemente in virtuellen Tests umgesetzt. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung zwischen realem und virtuellem Test festgestellt.
Auf dieser Basis wurde das virtuelle Testverfahren abstrahiert und detailliert anhand eines Beispiels beschrieben. Abschließend wurde die Anwendung des Testverfahrens für
die Entwicklung eines neuartigen Sandwichinserts demonstriert.
Die Bestimmung der mechanischen Produkteigenschaften mithilfe von realen Tests ist
einer der Hauptkostentreiber im Entwicklungsprozess von Leichtbauprodukten. Die Implementierung von virtuellen Testmethoden basierend auf der Finiten-Elemente-Methode kann wesentlich zur Reduzierung der Entwicklungskosten beitragen. Jedoch weisen insbesondere Verbundfasersandwichstrukturen ein kompliziertes Versagensverhalten auf. Dies macht Festigkeitsvorhersagen mit Hilfe von FE-Simulationen schwierig. Die
vorliegende Arbeit bewältigt dieses Problem durch die Entwicklung eines virtuellen Testverfahrens für Sandwichstrukturen. Das Testverfahren basiert auf dem sogenannten
Building Block Approach, welcher für die Entwicklung von Verbundfaserstrukturen vorrangig für Luftfahrtanwendungen entwickelt wurde. Er ist durch die typische Gliederung
in Konstituenten, Strukturelementen, Sub-Komponenten und Komponenten als Komplexitätsebenen gekennzeichnet. Der Fokus des entwickelten virtuellen Testverfahrens liegt
auf der Festigkeitsvorhersage von Verbindungselementen als typischer Schwachpunkt
von Sandwichstrukturen. Es deckt daher Untersuchungen bis hin zur Sub-Komponentenebene ab, während die Untersuchungen auf Konstituenten- und Strukturelementebene
durch einen hohen Detailgrad zur adäquaten Abbildung des komplizierten Versagensverhaltens an Verbindungstellen gekennzeichnet sind.
In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Sandwichmaterialen und –konfigurationen experimentell und numerisch in den drei betrachteten Komplexitätsebenen untersucht. Mit den durchgeführten Studien wird ein virtuelles Testverfahren entwickelt. Auf
Konstituentenebene werden der Kern, die Deckschichten und der Kleber untersucht, wobei der Fokus auf dem Kern liegt, da das lokale Versagen häufig durch die Kernmechanik
dominiert wird. In diesem Zusammenhang wird eine detaillierte Meso-Modellierung für
den Kern entwickelt, welche alle relevanten Kernschadensmechanismen abbildet. Auf
Strukturelementebene werden verschiedene Sandwichpanels basierend auf standardisierten Biege- und Schubtests analysiert. Die Tests werden als virtuelle Tests basierend
auf den Erkenntnissen der Konstituentenebene entwickelt. Es werden sowohl MesoKernmodelle als auch 3D-Kontinuumkernmodelle in einer vergleichenden Studie umgesetzt. Dabei können die zuvor bestimmten Materialparameter validiert werden. Auf SubKomponentenebene werden schließlich verschiedene Sandwich-Insertkonfigurationen
sowie eine Eckverbindung experimentell untersucht. Basierend auf den vorherigen Komplexitätsebenen werden diese Verbindungselemente in virtuellen Tests umgesetzt. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung zwischen realem und virtuellem Test festgestellt.
Auf dieser Basis wurde das virtuelle Testverfahren abstrahiert und detailliert anhand eines Beispiels beschrieben. Abschließend wurde die Anwendung des Testverfahrens für
die Entwicklung eines neuartigen Sandwichinserts demonstriert.