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
Berichter: Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kleiner Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Weinert Tag der mündlichen Prüfung: 04. März 2002
Dortmunder Umformtechnik Volker Hellinger Untersuchungen zur Methodik der Berechnung und Herstellung von leichten Stützkernverbunden. D 290 (Diss. Universität Dortmund) Shaker Verlag Aachen 2002
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 3-8322-0104-1. 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 3-8322-0104-1 ISSN 1619-6317 Shaker Verlag GmbH Postfach 1290 52013 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de email: info@shaker.de
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.
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
Inhaltsverzeichnis i Inhaltverzeichnis Formelzeichen und Symbole v 1 Einleitung 1 2 Stand der Kenntnisse 5 2.1 Einteilung der Verbundsysteme 5 2.2 Beschreibung der Verbundsysteme 7 2.2.1 Doppelblechstrukturen 7 2.2.1.1 Konzepte zur Herstellung von Doppelblechstrukturen 8 2.2.1.2 Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Doppelblechstrukturen 12 2.2.1.3 Zusammenfassung zu Doppelblechstrukturen 14 2.2.2 Stützkernverbunde 16 2.2.2.1 Stützkernverbunde mit homogener/quasihomogener Kernschicht 17 2.2.2.2 Stützkernverbunde mit inhomogener Kernschicht 20 2.2.2.3 Lastverhalten und typische Versagensfälle für Stützkernverbunde 25 2.2.2.4 Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Stützkernverbunden 30 2.2.2.5 Zusammenfassung zu Stützkernverbunden 31 2.2.3 Faserverbundwerkstoffe 31 2.2.3.1 Faserwerkstoffe 33 2.2.3.2 Matrixwerkstoffe 34 2.2.3.3 Herstellungsverfahren für Faserverbundwerkstoffe 35 2.2.3.4 Berechnungsgrundlagen zur Auslegung von Stützkernverbunden 36 2.2.3.5 Zusammenfassung zu Faserverbundwerkstoffen 37 2.2.4 Hybridverbunde 38 2.3 Der Einsatz der FEM zur Berechnung von Leichtbau- Verbundkonstruktionen 39 3 Ziele der Arbeit 41
ii Inhaltsverzeichnis 4 Methode zur Bestimmung der Biegesteifigkeit von Stützkernverbunden 43 4.1 Beschreibung des neuen Rechenansatzes 43 4.1.1 Bestimmung der Flächenträgheitsmomente 45 4.1.2 Analytischer Ansatz zur Berechnung der Biegesteifigkeit 47 4.2 Vergleichende Bewertung des Algorithmus 48 4.2.1 Beschreibung des analytischen Modells 49 4.2.2 Beschreibung des FEM-Modells 49 4.2.3 Ergebnisse aus den Berechnungen 51 4.2.4 Vergleich mit experimentellen Ergebnissen 53 4.3 Untersuchungen zur Biegesteifigkeit verschiedener Stützkernmuster 55 4.3.1 Analyse des Randeinflusses auf das Biegeverhalten 55 4.3.2 Analyse der Biegesteifigkeit 58 4.3.2.1 Variation des Stützkernmusters 58 4.3.2.2 Variation des Kernfüllungsgrades 61 4.4 Einsatz des Algorithmus zur Optimierung des mechanischen Verhaltens von Verbundkonstruktionen 62 5 Entwicklung von Klebstoff-Steg Verbundstrukturen (KSV-Strukturen) 65 5.1 Grundidee zur Herstellung der KSV-Strukturen 65 5.2 Werkstoffe zur Herstellung der KSV-Strukturen 68 5.2.1 Klebstoffe und Klebstoff-Füllstoff-Kombinationen 69 5.2.2 Metallische und nichtmetallische Deckschichten 80 5.2.3 Füllung der KSV-Strukturen mit Füllstoffen 80 5.3 Werkzeuge zur Herstellung ebener KSV-Strukturen 81 5.3.1 Auftragsverfahren zur Aufbringung des KSV-Schaums 81 5.3.2 Vorrichtung zur Einstellung des Deckschichtabstandes 85 5.4 Herstellung von gekrümmten und dreidimensionalen Bauteilen 86 5.5 Eigenschaften der KSV-Strukturen 87 5.5.1 Verhalten unter Biegebelastung 90 5.5.2 Verhalten unter Schubbelastung 98
Inhaltsverzeichnis iii 5.5.3 Verhalten unter Druckbelastung 104 5.5.4 Wärmedurchgangseigenschaften 107 5.5.5 Energieabsorption 110 5.6 Recyclingfähigkeit von KSV-Strukturen 115 5.7 Zusammenfassung der Eigenschaften von KSV-Strukturen 116 6 Zusammenfassung und Ausblick 119 7 Literaturverzeichnis 123