Numerische Simulation von Schlagbelastungen an unsymmetrischen CFK-Sandwich Platten

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1 5. LS-DYNA Anwenderforum, Ulm 2006 Impact Numerische Simulation von Schlagbelastungen an unsymmetrischen CFK-Sandwich Platten Falk Hähnel Technische Universität Dresden, Dresden, Deutschland 2006 Copyright by DYNAmore GmbH E - I - 21

2 5. LS-DYNA FORUM 2006 Numerische Simulation von Schlagbelastungen an unsymmetrischen CFK-Sandwich-Platten mit NOMEX - Honigwabenkern F. Hähnel, K. Wolf Institut für Luft- und Raumfahrttechnik Lehrstuhl für Luftfahrzeugtechnik 12./13. Oktober 2006, Ulm

3 Inhalt Einleitung Schlagschädigung von CFK-Sandwich Modelle zur Simulation von Sandwich-Strukturen Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Zusammenfassung

4 Hintergrund: Einleitung Gefährdung von Sandwich-Strukturen durch aufschlagende Objekte: - Tool Drop, Steinschlag, Hagel - Vogelschlag - Triebwerksschaufeln -u. ä.

5 Einleitung Hintergrund: Gefährdung von Sandwich-Strukturen durch aufschlagende Objekte: CFK-Sandwich mit NOMEX - Honigwabenkern: - hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten - dünne, spröde Deckschichten, weicher Kern anfällig gegenüber Schlagbelastungen

6 Einleitung Hintergrund: Gefährdung von Sandwich-Strukturen durch aufschlagende Objekte: CFK-Sandwich mit NOMEX - Honigwabenkern: - hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten - dünne, spröde Deckschichten, weicher Kern anfällig gegenüber Schlagbelastungen Schlagschäden reduzieren das Resttragvermögen 100% Resttragvermögen 75% 50% 25% 0% Schlag-Energie [Joule]

7 Einleitung Hintergrund: Gefährdung von Sandwich-Strukturen durch aufschlagende Objekte: CFK-Sandwich mit NOMEX - Honigwabenkern: - hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten - dünne, spröde Deckschichten, weicher Kern anfällig gegenüber Schlagbelastungen Schlagschäden reduzieren das Resttragvermögen Nachweis der Schadenstoleranz von Primärstrukturen - gegenwärtig: experimentelle Untersuchungen teuer - zukünftig: Simulation wenige Versuche zur Verifikation

8 Einleitung Hintergrund: Gefährdung von Sandwich-Strukturen durch aufschlagende Objekte: CFK-Sandwich mit NOMEX - Honigwabenkern: - hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten - dünne, spröde Deckschichten, weicher Kern anfällig gegenüber Schlagbelastungen Schlagschäden reduzieren das Resttragvermögen Nachweis der Schadenstoleranz von Primärstrukturen - gegenwärtig: experimentelle Untersuchungen teuer - zukünftig: Simulation wenige Versuche zur Verifikation Zielstellung: Entwicklung von Simulationsmethoden: 1. Schadensentstehung in Sandwich-Strukturen bei Schlagbelastungen 2. Vorhersage des Resttragvermögens der geschädigten Strukturen

9 Inhalt Einleitung Schlagschädigung von CFK-Sandwich Modelle zur Simulation von Sandwich-Strukturen Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Zusammenfassung

10 Schlagschädigung von CFK-Sandwich Beispiel: 15J Impact, 1 Impactor Deckschichtschädigung sichtbar: - Risse sowie - Eindruck der Deckschicht nichtsichtbar: - Faser- und Matrixbrüche - Delaminationen

11 Schlagschädigung von CFK-Sandwich Beispiel: 15J Impact, 1 Impactor Deckschichtschädigung Kernschädigung zertrümmerter Honigwabenkern - durch Stabilitäts- und Festigkeitsversagen der Wabenwände Schlagschädigungen sind strukturseitig abhängig von: - Steifigkeiten, Versagenseigenschaften des Deckschichtlaminats - Stabilitäts- und Verformungsverhalten der Kernstruktur (Wabenwände) - Interaktion von Deckschicht und Kernstruktur - bestimmt durch deren Eigenschaften

12 Inhalt Einleitung Schlagschädigung von CFK-Sandwich Modelle zur Simulation von Sandwich-Strukturen Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Zusammenfassung

13 Modelle zur Simulation von Sandwich-Strukturen Untersuchung der Schadensentstehung und -ausbreitung in Sandwich-Stukturen (z.b. durch Schlagbelastung) 3D-Simulation Strukturmodellierung: - Deckschichten Schalenelemente, - Kernstruktur a) makro-mechanischer Ansatz b) meso-mechanischer Ansatz - globales Verhalten der Kernstruktur in Volumenelemente integriert - lokale Versagensphänomene können nicht betrachtet werden - Honigwabenkern: Zellwände Schalenelemente - Einfluss lokaler Versagensmechanismen der Zellwände wird beachtet

14 Inhalt Einleitung Schlagschädigung von CFK-Sandwich Modelle zur Simulation von Sandwich-Strukturen Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Zusammenfassung

15 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Versuchsaufbau Ableitung FE-Modell Konfiguration im Experiment Simulationsmodell Ausschnitt der Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm

16 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Aufbau FE-Modell Konfiguration im Experiment Simulationsmodell Probenauflage: Stahlplatte Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm starre Platte MAT_rigid

17 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Aufbau FE-Modell Konfiguration im Experiment Simulationsmodell untere Deckschicht: 20 x CFK-UD, [0/0/45/90/-45] s2 1 x CFK-Gewebe Schalenelemente, EF2, MAT58 (2x16 Parameter) Probenauflage: Stahlplatte Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm starre Platte MAT_rigid

18 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Aufbau FE-Modell Konfiguration im Experiment Simulationsmodell Kern: NOMEX -Honigwabe , 28 mm hoch Schalenelemente, EF6, MAT58 (2x16 Parameter) untere Deckschicht: 20 x CFK-UD, [0/0/45/90/-45] s2 1 x CFK-Gewebe Schalenelemente, EF2, MAT58 (2x16 Parameter) Probenauflage: Stahlplatte Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm starre Platte MAT_rigid

19 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Aufbau FE-Modell Konfiguration im Experiment Simulationsmodell obere Deckschicht: 1 x Cu-Netz 1 x GFK-Gewebe, 0 3 x CFK-Gewebe, 0 1 x GFK-Gewebe, 0 Schalenelemente, EF6, MAT58 (2x16 Parameter) Kern: NOMEX -Honigwabe , 28 mm hoch Schalenelemente, EF6, MAT58 (2x16 Parameter) untere Deckschicht: 20 x CFK-UD, [0/0/45/90/-45] s2 1 x CFK-Gewebe Schalenelemente, EF2, MAT58 (2x16 Parameter) Probenauflage: Stahlplatte Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm starre Platte MAT_rigid

20 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Aufbau FE-Modell Konfiguration im Experiment Fallgewicht: m = 1,1 kg; Stoßspitze Stahlhalbkugel, d = 1 Simulationsmodell starre Kugel MAT_rigid obere Deckschicht: 1 x Cu-Netz 1 x GFK-Gewebe, 0 3 x CFK-Gewebe, 0 1 x GFK-Gewebe, 0 Schalenelemente, EF10, MAT58 (2x16 Parameter) Kern: NOMEX -Honigwabe , 28 mm hoch separate Verifikation der Sandwich-Strukturelemente für untere Deckschicht: erfolgreiche Simulation der Gesamtstruktur erforderlich Schalenelemente, 20 x CFK-UD, [0/0/45/90/-45] s2 1 x CFK-Gewebe Schalenelemente, EF6, MAT58 (2x16 Parameter) EF2, MAT58 (2x16 Parameter) Probenauflage: Stahlplatte Sandwich-Platte: 100 mm x 100 mm starre Platte MAT_rigid

21 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Verifikation Deckschicht Nachrechnung von Zug- und Biegebelastungen an 0 -, 45 - und 90 -Proben der oberen Deckschicht Kraft [kn] Kraft in kn Zug, 45 Zug, 0 0 0,2 20 Weg 40 [mm] 60 0,8 80 1, Weg 4 [mm] Kraft [kn] Simulation Versuche 200 Kraft [N] Zug, ,2 20 Weg 40 [mm] 60 0,8 80 1, Biegung, ,5 3 Weg 6[mm] 1,5 9 2,0 12

22 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Verifikation Deckschicht 1,4 1,2 Schlagversuch: E kin = 5J 1 Kraft [kn] 0,8 0,6 Sichtbares sichtbares Aufreißen der Deckschicht im Versuch 0,4 Simulation 0,2 Versuche Zeit 6[ms] in der Simulation berechneter Riss der Deckschicht

23 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Verifikation Kern meso-mechanischen Ansatz Materialkennwerte der Wabenwände erforderlich experimentelle Datenermittlung an Wabenwand nicht möglich Kennwerte an Papierproben bestimmt Nachrechung von Crash-Versuchen an NOMEX -Honigwaben mit homogenisierter Wabenwand Kraft [kn] Simulation Versuche Zeit 2[ms] 3 4 durch Homogenisierung keine Abbildung von Harzbrüchen möglich

24 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Beispiel E kin = 2J 1,5 Kontaktkraft [kn] 1 Simulation Versuche sichtbarer Eindruck Deckschichtschädigung 0,5 geschädigter Deckschichtbereich Kernschädigung Zeit 4[ms] 6 8 versagte Honigwabe

25 Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Beispiel E kin = 10J 1,5 Deckschichtschädigung Kontaktkraft [kn] 1 0,5 Versuche Simulation Aufreißen der Deckschicht geschädigter Deckschichtbereich Kernschädigung Zeit 4[ms] 6 8 versagte Honigwabe

26 Inhalt Einleitung Schlagschädigung von CFK-Sandwich Modelle zur Simulation von Sandwichstrukturen Simulation von Schlagbelastungen an CFK-Sandwich Zusammenfassung

27 Zusammenfassung komplexes Schädigungsverhalten von CFK-Sandwich-Strukturen mit Honigwabenkernen bei Schlagbelastungen meso-mechanischer Ansatz der Strukturmodellierung zur Betrachtung lokaler Versagensmechanismen der Honigwabenstruktur erforderlich die Verifikation von Teilstrukturen ist Voraussetzung für erfolgreiche Simulation von gesamten Sandwich-Strukturen sehr gute Abbildung realer Schlagbelastungen an CFK-Sandwich mit Honigwabenkernen mit entwickeltem Simulationsmodell möglich

28 Danke für die Aufmerksamkeit