Untersuchungen zur Methodik der Berechnung und Herstellung von leichten Stützkernverbunden

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1 Untersuchungen zur Methodik der Berechnung und Herstellung von leichten Stützkernverbunden Von der Fakultät Maschinenbau der Universität Dortmund zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Volker Hellinger aus Koblenz 2002

2 Berichter: Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Weinert Tag der mündlichen Prüfung: 04. März 2002

3 Dortmunder Umformtechnik Volker Hellinger Untersuchungen zur Methodik der Berechnung und Herstellung von leichten Stützkernverbunden. D 290 (Diss. Universität Dortmund) Shaker Verlag Aachen 2002

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Hellinger, Volker: Untersuchungen zur Methodik der Berechnung und Herstellung von leichten Stützkernverbunden / Volker Hellinger. Aachen : Shaker, 2002 (Dortmunder Umformtechnik) Zugl.: Dortmund, Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2002 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Der Leichtbau bietet nicht nur im Hinblick auf ökologische Vorteile, sondern auch unter wirtschaftlichen Aspekten eine ausgezeichnete Plattform zur Entwicklung neuer Lösungskonzepte im Bereich der industriellen Fertigung. Ein Konzept des strukturellen Leichtbaus ist die Entwicklung von leichten Verbundkonstruktionen, insbesondere von leichten Stützkernverbunden. In fast allen Bereichen der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch in konventionellen Verkehrssystemen und im Bauwesen finden sich diese Sandwichkonstruktionen mittlerweile im Einsatz. Die Verwendung dieser Stützkernverbunden ist heute jedoch meist mit hohen Kosten verbunden, da die Fertigung sehr aufwendig und die Gestaltungsmöglichkeiten oft sehr eingeschränkt sind. Außerdem bestehen nur sehr eingeschränkte Berechnungsverfahren zur Berechnung des Lastverhaltens dieser Werkstoffe. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine flexible Methode zur Herstellung von leichten Stützkernverbunden und beschäftigt sich mit einem neuen, universell einsetzbaren Berechnungsansatz zur Bestimmung des Lastverhaltens von Stützkernverbunden unter Biegelast. Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl für Umformtechnik der Universität Dortmund. Herrn Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner, dem Inhaber des Lehrstuhls, danke ich für seine großzügige Förderung und Unterstützung, die die Erstellung dieser Arbeit ermöglichte und prägte. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Weinert gilt mein Dank für die Übernahme des Korreferates. Ich danke Herrn Prof. em. Dr.-Ing. Eberhard v. Finckenstein für die Durchsicht meiner Arbeit und die damit verbundenen Hinweise. Mein Dank gilt allen Mitarbeitern des Lehrstuhls und ganz besonders Herrn Axel Wellendorf, Herrn Alexander Brosius und Herrn Marco Schikorra für die kritische Durchsicht meiner Arbeit und die damit verbundenen Anregungen und fachlichen Diskussionen. Herrn Rainer Krux möchte ich für die großzügige Bereitstellung der Lamellierungssoftware danken. Für die Unterstützung bei den experimentellen Arbeiten bedanke ich mich bei Herrn Dirk Hoffmann und Herrn Ulrich Wornalkiewicz sowie bei Herrn Thorsten Beier und Herrn Jan Brüninghaus.

6 Für die Gestaltung der Graphiken und Bilder danke ich Frau Sanaz Sepassi und Herrn Heinz Ludwig. Zusätzlich danke ich Frau Beate Ulm-Brandt für die tatkräftige Mithilfe bei der Korrektur meiner Arbeit. Nicht zuletzt möchte ich meinen Eltern danken, die mir diesen beruflichen Werdegang ermöglicht und mich bis heute stets gefördert haben. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau Helga, die mir während dieser Arbeit verständnisvoll und geduldig zur Seite stand, mich jederzeit in vielfältiger Weise unterstützt und somit wesentlich zum Gelingen beigetragen hat. Dortmund, März 2002 Volker Hellinger

7 Inhaltsverzeichnis i Inhaltverzeichnis Formelzeichen und Symbole v 1 Einleitung 1 2 Stand der Kenntnisse Einteilung der Verbundsysteme Beschreibung der Verbundsysteme Doppelblechstrukturen Konzepte zur Herstellung von Doppelblechstrukturen Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Doppelblechstrukturen Zusammenfassung zu Doppelblechstrukturen Stützkernverbunde Stützkernverbunde mit homogener/quasihomogener Kernschicht Stützkernverbunde mit inhomogener Kernschicht Lastverhalten und typische Versagensfälle für Stützkernverbunde Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Stützkernverbunden Zusammenfassung zu Stützkernverbunden Faserverbundwerkstoffe Faserwerkstoffe Matrixwerkstoffe Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Stützkernverbunden Zusammenfassung zu Faserverbundwerkstoffen Hybridverbunde Der Einsatz der FEM zur Berechnung von Leichtbau- Verbundkonstruktionen 39 3 Ziele der Arbeit 41

8 ii Inhaltsverzeichnis 4 Methode zur Bestimmung der Biegesteifigkeit von Stützkernverbunden Beschreibung des neuen Rechenansatzes Bestimmung der Flächenträgheitsmomente Analytischer Ansatz zur Berechnung der Biegesteifigkeit Vergleichende Bewertung des Algorithmus Beschreibung des analytischen Modells Beschreibung des FEM-Modells Ergebnisse aus den Berechnungen Vergleich mit experimentellen Ergebnissen Untersuchungen zur Biegesteifigkeit verschiedener Stützkernmuster Analyse des Randeinflusses auf das Biegeverhalten Analyse der Biegesteifigkeit Variation des Stützkernmusters Variation des Kernfüllungsgrades Einsatz des Algorithmus zur Optimierung des mechanischen Verhaltens von Verbundkonstruktionen 62 5 Entwicklung von Klebstoff-Steg Verbundstrukturen (KSV-Strukturen) Grundidee zur Herstellung der KSV-Strukturen Werkstoffe zur Herstellung der KSV-Strukturen Klebstoffe und Klebstoff-Füllstoff-Kombinationen Metallische und nichtmetallische Deckschichten Füllung der KSV-Strukturen mit Füllstoffen Werkzeuge zur Herstellung ebener KSV-Strukturen Auftragsverfahren zur Aufbringung des KSV-Schaums Vorrichtung zur Einstellung des Deckschichtabstandes Herstellung von gekrümmten und dreidimensionalen Bauteilen Eigenschaften der KSV-Strukturen Verhalten unter Biegebelastung Verhalten unter Schubbelastung 98

9 Inhaltsverzeichnis iii Verhalten unter Druckbelastung Wärmedurchgangseigenschaften Energieabsorption Recyclingfähigkeit von KSV-Strukturen Zusammenfassung der Eigenschaften von KSV-Strukturen Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis 123