Festigkeitskennwerte in Dickenrichtung zur Versagensberechnung von CFK- Augenverbindungen

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1 Festigkeitskennwerte in Dickenrichtung zur Versagensberechnung von CFK- Augenverbindungen M. Hoffmann, K. Zimmermann, B. Bautz, P. Middendorf Leichtbau Seminar, München,

2 Der Konzern European Aeronautic Defence and Space Company Mitarbeiter: (213) Umsatz: Billionen (213) Chief Technical Officer (CTO) Airbus Group Innovations Weltweit größter Hersteller im zivilen Luftfahrtbereich Ehemals Eurocopter Weltmarktführer für Hubschrauber Zusammenschluss aus Airbus Military, Cassidian und Astrium 2

3 Zur Person Kontaktdaten Marco Hoffmann Airbus Group Innovations TX3DL München Mail: Tel.: +49 () Hintergrund Studium an der TU Kaiserslautern Kunststofftechnik und Faser-Kunststoff-Verbunde seit 213 Doktorand bei Airbus Group Innovations Betreuung durch Universität Stuttgart Tätigkeitsfelder Lasteinleitungen in Faserverbundstrukturen Materialcharakterisierung und Versagensmodellierung 3

4 Anwendungsfälle Quellen: [1] [2] [3] [4] 4

5 Grundlagen Geometrie Lastfälle Primärlast: F x Sekundärlasten: F y, F z (M x, M y, M z ) ra F z F y α d t F x Parameter der laufenden Studie: - Augen-Öffnungswinkel α - Anteil der In-Plane-Querkraft F y - Anteil der Out-of-Plane-Querkraft F z 5

6 Hintergrund Versagensarten Lochleibung Flankenzugbruch Interaktion F/2 F/2 Ausscheren Delamination F/2 F/2 6

7 Vorgehensweise Kennwert- Bestimmung Kennwert- Validierung Auswahl und Validierung einer Modellierungsmethode Berechnung von CFK- Augenverbindungen 7

8 Gewählte Modellierungsmethode Intralaminares Versagen Abaqus/Standard 3D Kontinuumselemente (C3D8) Benutzerdefiniertes Materialmodell mit Versagenskriterium nach Puck (WWFE II) Vereinfachter Degradierungsansatz (f E_IFF = 1 = const) Materialmodell bereits validiert FB ZFB Interlaminares Versagen Cohesive Zone Model (als Kontaktbedingung) Bilinearer Ansatz Benötigte Parameter: Arcan R t 33, R13, R 23, G IC, G IIC, G IIIC DCB, ENF 8

9 Prüfmethode nach Arcan Prinzip Aufbau Ziel α F α = α = 45 α = 9 Variabler Prüfaufbau zur Prüfung unter verschiedenen Lastverhältnissen Bestimmung der Festigkeiten im τ 13 -σ 33 -Versagensraum Überprüfung bestehender Versagenskriterien 9

10 σ 33,rel [1] 3 1 Leichtbau Seminar 214 Probekörper für Zugbelastung Geometrie FE-Analyse ,2 1,1,9 1,8,7,6,5,4,3,2, x [mm] 1,1-1,2 1-1,1,9-1,8-, y [mm] 1

11 Probenfertigung Material Faser: Saertex NCF (HTS-Fasern), biaxial, 556 g/m² Harz: Hexcel RTM6 Epoxidharzsystem Layup: quasi-isotrop Prozess Vakuumassistierter Infusionsprozess (VAP) Wasserstrahlschneiden quaderförmiger Rohlinge Fräsbearbeitung auf Endkontur Fräsprozess kann durch Mikroschäden die Lage der Bruchebene beeinflussen 11

12 Ergebnisse unter Zugbelastung Details Einsatz eines vereinfachten Prüfaufbaus Proben jeweils auf Vorder- und Rückseite mit 1 DMS bestückt Nach Anpassung des Fräsprozesses reproduzierbare Ergebnisse Festigkeit höher als in Literaturangaben F max σ33,max E 33 MW [N] STAB [%] MW [MPa] STAB [%] MW [MPa] STAB [%] Serie PES-B 4534,66 4,42 45,43 4, ,13,4 Zimmermann 359, 8,91 34,6 8,84 832, 1,2 Hartung ,71 6, , 2,95 Quelle: [5] 12

13 σ 33 /τ 13,av [1] τ 13 /τ 13,av [1] Leichtbau Seminar 214 Probekörper für Schub- und überlagerte Zug-Schubbelastung Probengeometrie 3 FE-Analyse τ 13 [MPa] F/2 z y -1 x F/2 1,2 1,,8,6,4,2, -,2 -,4 -,6 -,8-1, ,2 1,,8,6,4,2, -,2 -,4 -,6 -,8-1, x-pos. [mm] x-pos. [mm] 13

14 Resultate unter Schub- und überlagerter Zug-Schubbelastung Details Vorversuche mit je 2 ABS-Probekörpern pro Lastverhältnis durchgeführt Lage der Bruchebene bei allen Lastrichtungen im kleinsten Querschnitt α = (reiner Schub) α = 15 α = 3 α = 45 α 14

15 Unfolding-Versuche Probengeometrie und Versuchsaufbau Parametrisierter Probekörper t = 2 mm, 5 mm, 1 mm Material: Saertex HTS/RTM 6, Lagenaufbau: [/9/45/-45/9/] s 15

16 Unfolding-Versuche Versuchsergebnisse, t = 5 mm Erstversagen durch Delamination Totalversagen durch Faserbruch bei u = 2 mm Versuche T5-2 bis T5-5 kurz nach Erstversagen beendet Standardabweichung der Erstversagenslast: 8,45% 16

17 Kraft F [N] Leichtbau Seminar 214 Unfolding-Versuche Berechnung FE-Analyse mit Puck 3D und Cohesive Contact 1 Elementreihe pro biax-lagenpaket Elementkantenlänge in Rissfortschrittsrichtung:,75-1,5 mm Abweichung zu Experimenten: +6% ZFB Anstrengung Puck [1] Versuch FEA, 1, 2, 3, 4, 5, Verschiebung u [mm] 17

18 Vergleich der Versagensbildes Status ZFB Puck 1 18

19 F Calc [kn] Leichtbau Seminar 214 Dimensionierung von CFK-Augen FE-Analyse der -Zugversuche Modellierung in Abaqus/Standard mit Kontinuumselementen (C3D8) mit 4 Einzellagen pro Elementreihe Progressives Versagen mit 3D-Kriterium nach Puck, keine Berücksichtigung von Delaminationen Elementkantenlänge: 1,5-2 mm Insgesamt gute Vorhersage der Versagenslast und der Versagensart durch FZB FB Puck [1] ideal FEA anti-konservativ F Test [kn] konservativ 19

20 F [N] Leichtbau Seminar 214 Dimensionierung von CFK-Augen Versagensfortschritt Exp Sim Status kein Versagen ZFB FB ZFB + FB 1 5. ZFB FB,,2,4,6,8,1,12,14,16 LE11 [1] 2

21 F [kn] Leichtbau Seminar 214 Dimensionierung von CFK-Augen FE-Analyse unter zusätzlicher Biegebelastung Modellierung in Abaqus/Standard mit Kontinuumselementen (C3D8) mit 4 Einzellagen pro Elementreihe Progressives Versagen mit 3D-Kriterium nach Puck Implementierung eines CZM zur Berücksichtigung von Delaminationen Versuchsdaten zur Validierung noch ausstehend 1 2 ZFB-Anstrengung Puck [1] 3 4 FB Status Puck [1] ,2,4,6,8 1 t [s] 21

22 Ausblick Nächste Schritte Bestimmung der Laminat-Festigkeiten unter reiner Schub- und überlagerter Zug-Schubbelastung Unfolding-Versuche mit Laminatdicken 2 mm und 1 mm Validierung der Schubfestigkeiten mit ILS-Proben Prüfung von CFK-Augenverbindungen unter Querkraftbelastung FE-Analyse der Augenversuche F/2 Gestaltungsrichtlinien für CFK-Augenverbindungen F F/2 F 22

23 23

24 Quellennachweis [1] Airbus, [2] Airbus Helicopters, [3] [4] Pfaller R. und Ahci Ezgi E. Einfluss von Geometrie und Materialparametern auf die Festigkeit von Verbindungen in Hubschrauberstrukturen. In: German aerospace congress, Darmstadt, September 28, paper no. DLRK [5] Hartung D. Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen unter dreidimensionalen Belastungen. Dissertation, Universität Braunschweig,