Dimensionierung von Flugzeug- und Hubschrauberstrukturen in VAP- und Prepreg- Bauweise mit Hilfe bruchmechanischer Daten

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1 Dimensionierung von Flugzeug- und Hubschrauberstrukturen in VAP- und Prepreg- Bauweise mit Hilfe bruchmechanischer Daten Seminar Hochleistungsstrukturen im Leichtbau München, 24. Oktober 2007 G. Spenninger EADS Military Air Systems H. Bansemir, M. Schulz Eurocopter Deutschland

2 Inhalt und Hintergrund der Untersuchungen 2 3 Statische Laminatfestigkeiten und bruchmechanische Parameter Ermüdungsfestigkeiten von Transverse Crack Tension (TCT) Proben 4 Dimensionierungsbeispiele 5 Zusammenfassung und weiterführende Arbeiten Page 2

3 Hintergrund, und Ziele Hintergrund Ziele Verwendung kostengünstiger Harz-Infiltrations- Verfahren (LRI) Klärung kritischer Eigenschaften von RTM6 u. a. Harzen Notwendigkeit einer Lagen- Fügetechnik für große Schalen Bruchmechanische Theorie der TCT- Probe Exp. Bestimmung von stat. und dyn. G IIC - Werten Anwendung und Verifizierung der zugrunde liegenden Methoden u. Daten Ermittlung von Dimensionierungsmethoden Vergleich zw. Infiltrations- und Prepregmaterial Bruchmechanische Lebensdauer- Ermittlung für Strukturelemente TCT- Probe: Transverse Crack Tension G C Delaminationen Cycles N Page 3

4 Funktionsweise des Vacuum Assisted Process (VAP) Fließhilfe Vakuum Sack Harzanguss- Kanal Semipermeable Membran Entgasungsstrecke Werkzeug VAP ist ein Harzinfiltrationsprozess (Liquide Resin Infusion, LRI) Nur ein Ofen ist zum Aushärten nötig Infiltration wird durch einfaches Vakuum erreicht Trockene Preform Temperatur Infiltration Dichtung Härten Restluft wird durch Membrane evakuiert Trockene textile Preform, vorzugsweise aus Multiaxialgelegen (Non-Crimp-Fabric, NCF) Technik mit oder ohne offenes Werkzeug Zeit Page 4

5 Anwendungsbeispiele von VAP und Vorteile Anwendungsbeispiele: Versteifte Rumpfschalen in Einschusstechnik: A400M Cargo Door A400M Spantstrukturen in Hubschraubern: NH90 Spant 5 Spant 5 Vorteile: Spant 5 NH90 Kostengünstige Fertigung von sehr großen Strukturen Robuster Prozess mit wenig Porositäten Verwendung von Muliaxialgelegen verspricht Hohe Ablegeraten (30 50 kg/h) Große Flexibilität bzgl. der Geometrie Page 5

6 charakterisierung und Probenformen h t Transverse Crack Tension (TCT) Probe σ II Unbelastet Lagenaufbauten: UD (0 ) Hexcel G57, HTA NCF (0 /90 ) Saertex, HTS Harzriss Parameters: E Elastizitätsmodul σ II Zugspannung h, t Geometrieparameter G II Energiefreisetzungsrate G II 2 σ II = 4 E h t ( h t) Delamination Langbiegeprobe Kurzbiegeprobe (ILS) F t = 4 mm σ F t = 2 mm τ l S 20 mm 83 mm σ = w = 5 mm 3 2 F l w t S 2 3 τ = 4 w = 0 mm F w t Page 6

7 Ausgewählte statische Laminateigenschaften Biege- und Zugfestigkeit bei RT/DRY Festigkeit [N/mm²] bending strength tensile strength Randbedingungen: Testmittelwerte HTA/RTM6 ohne Bindersubstanz zur Preformkonsolidierung HTA/93, G947 T300/94 HTA/M8/, G947 HTA/RTM6, G57 Alle Werte von Eurocopter und EADS-MAS generiert Ergebnisse: Zug- und Biegefestigkeiten nicht vom Harz beeinflusst ILSS- Werte und Knockdown Faktoren für Temperatur zeigen leichte Unterschiede RTM6 ist bzgl. der Laminatfestigkeiten vergleichbar mit anderen Harzsystemen Page 7 Interlaminare Schubfetigkeit ILSS [N/mm²] RT/DRY 50 /DRY /DRY 09,0 80,4 HTA/93, G947 92,2 58 HTA/M8/, G ,6 53,7 T300/94 HTA/RTM6, G57

8 Statische Energiefreisetzungsraten im Mode II 2,0 Kritische Energiefreisetzungsrate G IIC [N/mm],8,6,4,2,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,75 0,53 0,48,7,9,9 0 T300/93 HTA/93 T300/94 HTA/94 IM7/977-2 HTA/RTM6 Binder 2 g/m² HTA/RTM6 Binder 6 g/m² - Typ Aushärte- Temperatur Prepreg LRI Wert für HTA/94 stammt von Compression After Impact (CAI) Tests Wert für zähmodifiziertes Harz ist der Literatur entnommen Statische Energiefreisetzungsrate im Mode II von RTM6 ist vergleichbar mit zähmod. Prepreg Page 8

9 Testaufbau für dynamische TCT- Proben R = G G II, unter II, ober = 0,0 f = 4Hz Optische Inspektion via Webcam mit 0 Bildern / Sekunde Bestimmung der Lastspielzahl N bis zur Delamination anhand der Testfrequenz und der Videozeit Page 9

10 G C -N Kurve für RTM6/HTA und T300/93 Amplitude der Energiefreisetzungsrate G II,a [N/m] Energiefreisetzungsrate von unidirektionalem HTA/RTM6 mit unterschiedlichem Faservolumenanteil Φ verglichen zu T300/ G R = G II, unter II, ober = 0,0 G II,a = log N exp Φ 50 % Φ 60 % HTA/RTM6 T300/93 N / m Lastspielzahl N [-] RTM6/HTA TCT-innen, Φ = 60%: Lagenaufbau: (0)6 s, 285 g/m², G57 6 g/m² Spunfab Bindervlies t h = 5 4 HTA/RTM6 T300/93 Page 0

11 G C -N Kurve RTM6/HTS eines NCF Kreuzverbundes Amplitude der Energiefreisetzungsrate G II,a [N/m] G R = G = 0, II, unter II, ober RTM6/HTS Kreuzverbund TCT-innen: Lagenaufbau: (0/90) 5s, 540 g/m², NCF t 2 g/m² Spunfab Bindervlies = h 4 Lastspielzahl N [ - ] Page

12 Spleißkonfigurationen in doppelt gekrümmten Schalen Abgewickelte Breite: ~700 mm Schnitt- Definition: 650 mm 2700 mm 530 mm Spleißlinien auf der Schalenfläche (Symmetrie) Splice : Splice 7: Splice 2: Splice 6: Splice 3: Splice 4: Splice 5: Stumpfstoß Niet Al- Longeron Page 2

13 Modell zur Berechnung von Splice 7 unter Zugbelastung Durchtrennte Lagen j ε I Delaminationen ε II Durchgehende Lagen i E, t E 2, t 2 E 3, t 3 h E 4, t 4 E 5, t 5 x E G IIc h t Anzahl von Delaminationen Elastizitätsmodul Krit. Energiefreisetzungsrate Gesamtdicke des Laminats Dicke der Lagenpakete ε IIc = 2 x G IIc m j= E j t j n i= n i= E i E t i i t i + m j= E j t j i j Index für durchgehende Werte Index für durchtrennte Werte - und Schadensparameter Dehnsteifigkeitsverhältnisse Page 3

14 Auswertung der zulässigen Dehnungen (Splice 3) Splice 3 in Preform: s 0 90 Zulässige Dehnung ε IIc aus dem bruchmechanischen Ansatz kann mit den Dehnungen aus dem FE- Modell senkrecht zur Spleißlinie verglichen werden Die Initiierung einer Delamination ist gegeben sofern ε II ε IIc Fertigungstoleranz der Spaltbreite s ist gut einhaltbar Page 4

15 Versagensverlauf von Spleißkonfigurationen im Zugversuch Erste Harzanrisse Charakteristischer Schaden außen Vollständige Delamination außen Versagen des Stoßes gegenüber 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 200,0 Restbruch 50,0 00,0 50,0 0,0 Definition des Versagens Dehnung über dem Spleißbereich [μm/m] Page 5

16 Numerische Untersuchungen zur Bruchmechanik Modellierung eines charakteristischen Schadens: Risse in Delaminationsrichtung und quer dazu Charakteristischer Schaden abhängig vom a Kontaktdefinition zwischen Rissflächen a** s Auswertung des J- Integrals an der Rissspitze (J = G Total ) y dθ T y ds θ T x J π = W θ T π cos x u x x T y u y x R dθ Versagenskriterium R Γ x G C J Page 6

17 Vergleich einfacher Modelle mit TCT- Versuchen,2 Energiefreisetzungsrate G [N/mm], 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, 0 Innen geschäftet model Außen geschäftet model h t G = ε 2 E 4 ( h t) Dehnung [µm/m] Prepreq- Probe: Abweichungen von etwa...4% einfaches Modell nur mit 0 - Lagen Krit. Energiefreisetzungsrate [N/mm],8,6,4,2 0,8 0,6 0,4 0,2 0 F2 F22 F23 F24 G25 Probenbezeichnung Gc Jc NCF- Probe: komplexeres Modell mit (0/90)- Aufbau Abweichungen 4% Aufwendigere Modellierung des Fehlers (H-förmig) Page 7

18 Verklebung des Erosionsschutzes am EC35 Rotorblatt A A Erosionsschutz Rotorblatt Schnitt A-A: G II = 2 Fc 2 b δc δa = 2 Fc 2 b EA BS EA E EA BS F c b EA BS EA E Zentrifugalkraft im Schnitt Breite des Erosionsschutzes (Bogenlänge) Zuggsteifigkeit des Querschnitts mit Erosionsschutz Zugsteifigkeit des Erosionsschutzes Page 8

19 Zusammenfassung Statische Festigkeiten und bruchmechanische Parameter von VAP - und Prepreg- wurden gegenübergestellt RTM6 zeigte gute Eigenschaften im Vergleich zu zähmodifizierten Prepreg- Systemen Die praktische Anwendung von bruchmechanischen Daten für Flugzeug- und Hubschrauberkomponenten wurde beispielhaft aufgezeigt Spleißkonfigurationen erleichtern die Fertigung von großen Infiltrationsbauteilen und können bruchmechanisch erfasst werden Page 9

20 Weiterführende Arbeiten Herleitung eines analytischen Ansatzes für biegebelastete Spleißkonfigurationen Untersuchungen zum verhalten unter Mixed Mode - Bedingungen G C Anwendung bruchmechanischer Methoden für Lagenabsetzungen und Rampen Übergang von der spannungsbasierten zur bruchmechanischen Festigkeitsund Lebensdauerauslegung bezüglich Delaminationen Verwendung bruchmechanischer Parameter und Proben für Klebungen Cycles N Page 20

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Fragen???