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RADIUS - Zuverlässigkeitsbasierte Auslegung unversteifter CFK-Zylinder- schalen unter Material- und Strukturunsicherheiten

 

Ausgangssituation

Dünnwandige unversteifte Zylinderschalen aus kohlefaser- verstärkten Kunststoff finden u.a.  als Strukturelemente im  Bereich der Luft- und Raumfahrt Anwendung. Unter Drucklasten sind diese Strukturen beulgefährdet, sodass die Auslegung hinsichtlich Beulen erfolgt. Gleichzeitig werden auf Grund des Anwendungsfalls hohe Anforderung an das Gewicht sowie die Sicherheit gestellt. Die aktuell geltende Auslegungsrichtlinie, die NASA SP-8007, wurde in den 1960er entwickelt und gibt unter verschieden Randbedingungen an metallischen Zylindern bestimmte Abminderungsfaktoren vor. Mit steigenden Radius-Dicken-Verhältnis (R/t-Verhältnis) steigt die Abweichung von der theoretischen Beullast.

Ursächlich für die Abweichung von der theoretischen Beullast sind Geometrieabweichung, Lastimperfektionen oder beispielsweise durch die Einspannung eingebrachte Störgrößen.Bei faserverstärkten Kunststoffen führen diese Abminderungsfaktoren zu sehr konservativen Entwürfen. Weiterhin ist eine Bemessung der Versagens-wahrscheinlichkeit nicht möglich, da dafür alle Einflussgrößen bekannt sein müssen.

Projektziele
Ziel dieses Projektes ist es, die bereits bestehenden probabilistischen Bemessungsansätze fortzuführen. Um die statistische Datenbasis zu erweitern, wird eine Versuchsreihe mit zwei verschiedenen Zylindern unterschiedlicher R/t-Verhältnisse durchgeführt. Vor den Beulversuchen gemessene Imperfektionen werden in Form von Fourier Koeffizienten veröffentlicht.

Vorgehen
Aufbauend auf den Ergebnissen der Zylindertest im Rahmen des Projekts CompoSeat werden aus bestehenden Messdaten  Charakteristika der Imperfek-tionsmuster herausgearbeitet. Es wird u.a. untersucht, wie viele Moden das Imperfektionsmuster hinreichend genau beschreiben. Zur Erweiterung der statistischen Datenbasis werden sechs weitere Zylinder mit gleichen Eigenschaften wie im Projekt CompoSeat gefertigt. Zusätzlich werden sechs Zylinder mit gleichen Lagenaufbau und einem größeren R/t-Verhältnis hergestellt. Der Tabelle sind weitere Spezifikationen zu entnehmen.

 

Zylinder Typ 1Zylinder Typ 2
Anzahl66
Faser/MatrixAS7/8552AS7/8552
Laminataufbau[90,+30,-30]s[90,+30,-30]s
Durchmesser230 mm600 mm
Höhe250 mm800 mm
Wandstärke0,75 mm0,75 mm

 

Die Zylinder werden in einer speziell entwickelten Vorrichtung zum Test aufgespannt. Vor und nach dem Aufspannen werden die Formabweichungen optisch vermessen. An dem Hexapod-Prüfstand werden sie anschließend zur Bestimmung von Materialparametern Druck- und Zugtests unterzogen. Abschließend werden sie bis zum Beulen auf Druck belastet. Gemessene Messdaten werden mit den simulierten Beullasten verglichen und die Modellunsicherheit verschiedener detaillierter Modelle quantifiziert. Nach Bestimmung der Material-, Struktur-, Last- und Modellunsicherheiten kann  die Zuverlässigkeit für die Auslegung berücksichtig werden.

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing Dieter Krause

Projektbearbeitung: Tobias Hartwich, M.Sc.

Projekträger

Das  Projekt  wird  gefördert durch die  Deutsche  Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sachbeihilfe. GEPRIS

Die Laufzeit des Projekts reicht von Januar 2018 bis Januar 2020.

Projektposter