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Stabilität dünnwandiger Faserverbundstrukturen

Experiment Berechnung Bild 1: Out-of-plane Verformungen eines getesteten CFK-Paneels

Leichtbaustrukturen in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Maschinenbau oder Bauingenieurwesen, sind bei Druck- und Schubbelastung aufgrund ihrer hohen Schlankheit zwar beulanfällig, sie haben jedoch oft noch Tragreserven im Nachbeulbereich. In zunehmendem Maße werden zur Gewichtsreduzierung Faserverbundwerkstoffe (FVK) aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) eingesetzt, die bei der Berechnung höhere Ansprüche stellen als isotrope Werkstoffe. Stabilität, nicht-lineare Berechnungen, aber auch Degradation haben deshalb hier eine fundamentale Bedeutung. Das Verformungs- und Stabilitätsverhalten wird durch numerische Berechnungsverfahren und Versuche simuliert bzw. untersucht. Bild 1 zeigt zur Veranschaulichung den Vergleich eines Experiments und der Simulation eines eingebeulten, durch Stringer (auf der Rückseite) versteiften CFK-Paneels. Die Kompetenz des Instituts im Bereich der Stabilität dünnwandiger Faserverbundstrukturen liegt in den folgenden 4 Hauptthemen: Nachbeulverhalten, Imperfektionstoleranz, Beulen unter dynamischer Belastung, thermisch-mechanisches Beulen. Dabei geht es jeweils um die Entwicklung von Software zur rechnerischen Simulation des Beul- bzw. Nachbeulverhaltens bis Kollaps, die schnell und genau genug ist, im Entwurfsprozess eingesetzt zu werden, und um die Ableitung von einfachen Konstruktionsregeln. Die Arbeiten hierzu werden jeweils rechnerisch und experimentell durchgeführt, wobei die experimentellen Untersuchungungen zur Klärung grundsätzlicher Zusammenhänge und zur Validierung der entwickelten Software dienen.

Unser Leistungsspektrum:

• Nachbeulverhalten
• Imperfektionstoleranz
• Dynamisches Beulen
• Thermisches Beulen

Aktuelle Projekte:

• COCOMAT (Co-ordinator, Improved Material Exploitation of Safe Design of Composite Structures by Accurate Simulation of Collapse, EC 6th FP)
• ALCAS (Advanced low cost Airframe Structures, EC 6th FP)
• MUSCA (Nonlinear static MUltiSCAle analysis of large aero-structures, EC 6th FP)
• Design of optimal CFRP panels for fuselage structures (DLR - China)
• Fortschrittliche Flugzeugstrukturen (Advanced Aerospace Structures, DLR - EADS)
• Composite Fuselage Demonstrator (DLR-Airbus)
• Probabilistic aspects of buckling knock down factors, Tests and analysis (ESA)
• ESA Beulhandbuch (Buckling Handbook, ESA, ECSS-E-30-24)

Einige abgeschlossene Projekte:

• IBUCK - Semianalytisches Entwurfstool (DLR - Airbus Deutschland)
• POSICOSS (Koordinator, Improved Post-buckling Simulation for Design of Fibre Composite Stiffened Fuselage Structures, EC 5th FP)
• Robustes Design (DLR - Airbus Deutschland)
• GARTEUR SM AG 25 (WP-Leiter, Postbuckling and Collapse Analysis, established recommendations for buckling, postbuckling and collapse analysis of CFRP shells)
• Globales Tragverhalten (Airbus Deutschland)
• Multiobjective optimisation of fibre composite structures endangered by buckling (DLR - China)
• Identification of the Stiffnesses of Stringer Stiffened Laminated Materials (DLR - China)
• Schwarzer Rumpf (DLR - Airbus Deutschland)
• Beulen unter dynamischer Belastung(DLR - Israel)
• FESTIP (Refinement of Buckling Prediction Techniques for Large Thin Shells Under Mechanical and Thermal Load Conditions, ESA)
• Fracture Mechanics of Composites (Damage tolerance of CFRP panels and cylinders prone to buckling, ESA)
• EDAVCOS (Efficient Design and Verification of Composite Structures, EC 5th FP)
• DEVILS (Design and Validation of Imperfection-Tolerant Laminated Shell Structures, EC 4th FP)
• GARTEUR SM AG05 (Vorsitzender, Buckling and Postbuckling Behaviour of Composite Panels)
• Composite Bulkhead (Stability investigation of an Airbus CFRP bulkhead, A340-500 and A340-600)