Sandwichstrukturen, die aus zwei Faserverbund-Deckschichten und einem weichen, leichten Kern bestehen, ermöglichen eine sehr gewichtseffiziente Schalenkonstruktion. Darüber hinaus kann die äußere Deckschicht als Impactdetektor dienen, während der Kern zusätzlich Schall- und Wärmedämmung liefert. Der Einsatz von Sandwichstrukturen in der Luftfahrtindustrie ist jedoch durch die hohe Empfindlichkeit gegenüber out-of-plane Lasten, wie Impacts, und den daraus resultierenden Festigkeitsverlusten derzeit noch stark eingeschränkt. Um das Impactverhalten besser einschätzen und Sandwichstrukturen entsprechend optimaler auslegen zu können, wird das FE-Tool CODAC derzeit für Sandwichstrukturen weiterentwickelt.
Für die Erweiterung von CODAC auf doppelschalige Strukturen wurden die dreischichtigen Schalenelemente S89 und S815 entwickelt, die eine effiziente Verformungs- und Spannungsanalyse ermöglichen. Element S89 beruht auf einem zweidimensionalen Spannungsansatz und ist für die Spannungsermittlung bei gleichmäßiger out-of-plane Belastungen gut geeignet. Element S815 (Bild) berücksichtigt auch die Kompressibilität der doppelschaligen Struktur in Dickenrichtung und ist mit 15 gegenüber 9 Freiheitsgraden pro Knoten rechentechnisch aufwendiger als Element S89. Es liefert jedoch bei konzentrierten Lasten deutlich zuverlässigere Ergebnisse als Element S89 und wird daher bei Impactberechnungen bevorzugt eingesetzt.
Zur Beschreibung des Versagensverhaltens der Sandwichstruktur unter Impactlast werden für Kern und Deckschicht makroskopische, spannungsbasierte Versagenskriterien verwendet. Das Materialverhalten der geschädigten Struktur wird durch geeignete makromechanische Degradationsmodelle beschrieben, welche steifigkeitsmindernde und elasto-plastische Aspekte berücksichtigen. Zur Validierung der Impactsimulation wurde eine Impactversuchsreihe durchgeführt. Versuche mit niedrigen Impactenergien und äußerlich kaum sichtbarem Schaden (Kernschaden) können mit CODAC sehr gut simuliert werden, vgl. Bilder 2 und 3. Bei Versuchen mit deutlich sichtbarem Deckschichtschaden kann der Impactverlauf bis zu dem Punkt gut nachvollzogen werden, an dem die Deckschicht beginnt zu reißen.
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