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. [...]
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Problemstellung
- Allgemeine zum Faserverbundwerkstoff
- Stabilitätsproblem
- Gleichgewichtslage
- Verzweigungsproblem
- Durchschlagsproblem
- Klassifizierung
- Laminattheorie
- Makromechanisches Verhalten einer UD-Schichte
- Klassische Laminattheorie
- Versuchsdurchführung
- Testdaten und Versuchsdurchführung
- Versuchdurchführung
- Anwendung der Finite Elemente Methode
- Untersuchungen des Vorbeulzustandes
- Einfluß der Laminatdicke (nominell, gemessen)
- Einfluss der Materialparameter(nominell, gemessen)
- Vergleich mit Versuchsergebnissen
- Auswertung
- Untersuchung der Beullast
- Lineare Beullast der perfekten Schale
- Nichtlineare Beullast des perfekten Systems
- Beullast des imperfekten Systems
- Untersuchungen des Übergangs vom Vor- in den Nachbeulbereich
- statische Berechnungsverfahren
- Dynamische Berechnungsverfahren
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Diplomarbeit befasst sich mit dem Stabilitätsverhalten einer Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff unter Druckbelastung. Ziel ist es, das Beulverhalten der Schale durch Versuche und Finite Elemente Berechnungen zu untersuchen und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen. Dabei werden sowohl die Auswirkungen von Imperfektionen auf die Beullast als auch der Einfluss verschiedener Parameter, wie Laminatdicke, Materialparameter und Faserorientierung, auf das Verhalten der Schale betrachtet.
- Stabilitätsverhalten von Kreiszylinderschalen aus Faserverbundwerkstoffen
- Einfluss von Imperfektionen auf die Beullast
- Vergleich von Versuchen und FE-Berechnungen
- Auswertung der Ergebnisse und Interpretation der Ergebnisse
- Bewertung der Anwendbarkeit der Finite Elemente Methode für die Simulation von Beulproblemen
Zusammenfassung der Kapitel
Die Einleitung gibt einen Überblick über die Problemstellung, die allgemeine Bedeutung von Faserverbundwerkstoffen und die Zielsetzung der Arbeit. Kapitel 2 befasst sich mit dem Stabilitätsproblem und erklärt die verschiedenen Arten von Instabilitäten. Kapitel 3 behandelt die Laminattheorie und beschreibt das makromechanische Verhalten einer UD-Schichte sowie die klassische Laminattheorie. Kapitel 4 beschreibt die Versuchsdurchführung und erläutert die verwendeten Testdaten und die Durchführung der Versuche. Kapitel 5 widmet sich der Anwendung der Finite Elemente Methode und untersucht den Vorbeulzustand, die Beullast sowie den Übergang vom Vor- in den Nachbeulbereich. Die Ergebnisse der Berechnungen werden mit den Versuchsergebnissen verglichen und bewertet.
Schlüsselwörter
Kreiszylinderschale, Faserverbundwerkstoff, Stabilitätsproblem, Beulen, Imperfektionen, Finite Elemente Methode, FE-Berechnung, Laminattheorie, Versuchsdurchführung, Vergleich, Auswertung.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Stabilitätsproblem bei Kreiszylinderschalen?
Es beschreibt das Phänomen, dass dünnwandige Schalen unter Druckbelastung plötzlich seitlich ausweichen (Beulen), was zum Versagen der Struktur führt.
Warum sind Faserverbundwerkstoffe für Luft- und Raumfahrt wichtig?
Sie bieten eine extrem hohe Festigkeit bei sehr geringem Gewicht, was die Treibstoffeffizienz und Nutzlast von Flugzeugen und Raketen verbessert.
Welchen Einfluss haben Imperfektionen auf die Beullast?
Selbst winzige geometrische Abweichungen vom idealen Zustand können die maximale Belastbarkeit (Beullast) einer Schale drastisch verringern.
Wie wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) hier eingesetzt?
FEM-Software wie ABAQUS wird genutzt, um das komplexe Beulverhalten am Computer zu simulieren und mit realen Versuchsergebnissen zu vergleichen.
Was bedeutet „Laminattheorie“?
Die Laminattheorie berechnet das mechanische Verhalten von Bauteilen, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Faserorientierungen aufgebaut sind.
- Quote paper
- Shiping Chen (Author), 2002, Kreiszylinderschale aus Faserverbundwerkstoff - Versuche und FE-Berechnungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/29304
