Ein Ingenieurmodell für den rißfortschritt in hochleistungsgefrästen (HPC) Panels (English shop)

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In der heutigen Zeit werden von den Flugzeugherstellern kosteneffiziente und umweltschonendere Flugzeuge gefordert, die gleichzeitig leistungsfähiger als bishere sein sollen. Neben vielen anderen, auf neuesten Forschungserkenntnissen beruhenden Innovationen, gilt dabei auch der Reduzierung der Abflugmasse bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit ein besonderes Augenmerk.
Herkömmliche Flugzeuge entstehen durch Vernietung einzelner Bauteile zu einer Gesamtstruktur. Durch Einsatz neuer Fertigungsverfahren und durch das Fortschreiten neuer Fertigungstechnologien können Bauteile, die früher mit Nieten hergestellt werden, z.B. durch Fräsen aus einem Block gefertigt werden. Neben einer beanspruchungsgerechteren Konstruktion lassen sich auch Mindestwandstärken vermeiden, Fertigungszeiten reduzieren und Gewicht einsparen, da die Verbindungselemente fehlen. Trotz allem müssen diese Teile den hohen, luftfahrtspezifischen Anforderungen genügen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf Schadenstoleranz dieser Bauteile, d.h. wie verhält sich das Bauteil, wenn ein Schaden auftritt, speziell, wie breitet sich ein Riß in so einer integralen Struktur aus.

In dieser Arbeit sind nun die bisher für differentiell hergestellte Bauteile verwendeten Analyseverfahren so weiterentwickelt worden, daß sie auch für integrale Strukturen nutzbar sind. Dabei wird ein Hautfeld mit mehreren integralen Versteifungen betrachtet, die eine unterschiedliche Geometrie aufweisen.

In Kapitel 2 werden noch einmal kurz die theoretischen Grundlagen dargestellt, die für die Berechnungen benötigt werden. Anschließend werden im Kapitel drei die für die herkömmliche Bauweise von mit Stringern versteiften Hautfeldern dargestellt. Dabei muß unterschieden werden, daß einmal die Versteifung intakt, angerissen und gebrochen ist. Dies ist für die versteifte Haut ohne Biegung gezeigt, eine Lösung mit Biegung ist aber nur für intakte und gebrochene Versteifungen vorhanden, wenn diese auf der Haut aufgeklebt sind.
Im Kapitel vier werden diese vorhandenen Lösungsansätze so weiterentwickelt, daß damit auch integrale Strukturen unter zusätzlicher Biegung berechnet werden können, wobei eine Unterscheidung des Versteifungszustandes (intakt, angerissen oder gebrochen) berücksichtigt wird.

Die in den Kapiteln 2 bis 4 aufgezeigten und weiterentwickelten Verfahren werden mit Hilfe von Ergebnissen aus Finite Elemente Rechnungen und Versuchsergebnissen validiert.
Dafür werden im Kapitel 5 kurz die Grundlagen dargestellt, die bei bruchmechanischen Untersuchungen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente zu beachten sind. Außerdem wird kurz das Vorgehen zum Erzeugen des Modells erläutert und das Prinzip des Netzgenerators beschrieben.
Im Kapitel 6 werden die für die Versuche verwendeten drei Probengeometrien vorgestellt. Weiterhin werden der Versuchsaufbau, die Versuchsdurchführung und die Besonderheiten beim Einbringen des Risses in die Struktur ausführlich beschrieben. Getrennt nach Probenform und Probengeometrie werden die Versuchsergebnisse dargestellt und erste Rückschlüsse auf das Rißwachstumsverhalten gezogen. Außerdem ist darauf hingewiesen worden, worauf bei der Probenvorbereitung besonderes Augenmerk gelegt werden muß, um den Berechnungen Eingabewerte zur Verfügung zu stellen, damit diese miteinander verglichen werden können. Für die Dokumentation der Versuche bzw. das Feststellen des Rißwachstums werden Hinweise und Anregungen gegeben, um die Ergebnisse sicherer und einfacher zu erhalten, so daß die Vergleichbarkeit verbessert werden kann.

In Kapitel 7 werden alle Ergebnisse dargestellt, miteinander verglichen und Rückschlüsse dahingehend gezogen, wie eine integral versteifte Struktur mit Blick auf das schadenstolerante Verhalten ausgeführt sein soll. Es konnte eindeutig herausgearbeitet werden, in welchen Bereichen bzw. bei welchen Konfigurationen das analytische Modell sehr gute Resultate liefert, d.h. der Rißfortschritt gut vorhergesagt werden kann. Dies sind zum einen Konfigurationen mit Versteifungen, die alle die gleichen physikalischen Eigenschaften haben, insbesondere eine gleiche Höhe, zum anderen solche, bei denen auch noch der Mittelstringer gebrochen ist. Bei unterschiedlich hohen Versteifungen werden die Ergebnisse schlechter und sind nicht geeignet, das Rißwachstum vorherzusagen. Weiterhin ist dargestellt, welche Besonderheiten bei der analytischen Modellierung zu beachten sind.
Die Versuchsergebnisse der Konfiguration mit intakten Stringern kann mit den Ergebnissen der Finiten Elemente Rechnungen und den analytischen Berechnungen nachvollzogen werden, wobei die Unterschiede bei der FE-Rechnung erklärbar sind. Die FE-Analysen für die Konfiguration mit gebrochenem Mittelstringer liefern nur ungenügende Ergebnisse und sind ungeeignet zur Vorhersage des Rißwachstums. Die Ursache dafür liegt in der unzureichenden Anzahl der Elemente über die Bauteildicke bei dieser Art von Struktur, was von der Literatur bestätigt wird.
Für die analytische Berechnung sind einige Eingabeparameter geändert und deren Auswirkungen auf die Ergebnisse untersucht worden. Dabei sind Literaturangaben bestätigt und Erkenntnisse gewonnen worden, die für weiterführende Untersuchungen berücksichtigt werden müssen.

Für die Vorhersage des Rißwachstums in integral versteiften Strukturen, unterschiedlicher Ausgangskonfiguration und einfacher Versteifungsgeometrie konnte ein Analysetool geschaffen werden, welches mit Versuchen an relativ kleinen Proben validiert wurde. Diese Ergebnisse sollten nach Möglichkeit durch weitere Proben abgesichert werden, wobei der Rißeinbringung und der Dokumentation des Rißfortschritts im Versuch eine besondere Bedeutung zukommen muß.
Weiterhin muß untersucht werden, ob und inwieweit das Analysetool für kompliziertere Stringergeometrien, wie z.B. Doppel-T- oder C-Profile, einsetzbar ist bzw. wie solche Geometrien in das Tool implementiert werden können. Dazu sind natürlich ausreichend viele Versuchsergebnisse sowie deren Eingabeparameter in entsprechender Qualität notwendig. Gleiches gilt auch für größere Bauteile. Dabei ist dann von Wichtigkeit, daß die Werkstoffkennwerte und Randbedingungen in entsprechendem Umfang vorhanden sind.