Wechselseitige Beeinflussung des Beulens und des Rissfortschritts in zyklisch belasteten Aluminium-Panels
Final Report Abstract
Es war die Forschungshypothese, dass das Beulen einer (unversteiften) Platte und der Rissfortschritt eines Schadens in der Platte sich gegenseitig beeinflussen. Diese Hypothese hatte zwei Seiten, einerseits die eher grundlagenorientierte Untersuchung des Verhaltens und andererseits eine anwendungsorientierte. Die anwendungsorientierte Seite bezieht sich dabei darauf, dass bei der Auslegung metallischer Panels im Flugzeugbau Beulen und Damage Tolerance getrennt betrachtet werden; was im Falle einer vorhandenen gegenseitigen Beeinflussung einer nicht-konservativen Annahme entspricht. Der Fall eines Schadens im Feld entspricht einem typischen Auslegungsfall im Flugzeugbau (accidental damage). Es war nicht Gegenstand des Vorhabens Ermüdungsrisse im Bereich der Einspannung bzw. einer Versteifung zu betrachten. Die Arbeitspakete umfassten Versuche und Simulationen. Die Vermutung, dass eine getrennte Betrachtung von Rissfortschritt und Beulen zu nichtkonservativen Ergebnissen führt, hat sich klar bestätigt; dies gilt bereits für einfache Fälle, bei denen die Risse noch relativ klein sind. Entgegen den Ausgangsannahmen zeigte sich keine ausgeprägte dreidimensionale Rissfront aufgrund des stark heterogenen Schnittmomentenund Schnittnormalkraftverlaufs in der Struktur. Vielmehr gab es zwar ein leichtes Voreilen des Risses auf der höher zugbelasteten Seite, aber es wurde - auch bei den Versuchen mit (eher im Flugzeugbau ungewöhnlichen) 3,2 mm dicken Aluminiumplatten und unter Einsatz eines digitalen Mikroskops - nur eine weitgehend in Dickenrichtung gerade Rissfront gefunden. Aus dieser Beobachtung heraus ergab sich, dass für schubbelastete Platten zwar eine sehr klare gegenseitige Beeinflussung von Beulen und Rissfortschritt zu finden ist, weil bei dieser Belastung beide Phänomene gleichzeitig auftreten, während für reine Zug-Druckbelastung keine solche Beeinflussung zu finden ist, da beide Phänomene bei unterschiedlichen Belastungszuständen auftreten. Dementsprechend wurden die geplanten Zug-Druckversuche nicht vertieft und das Schubversuchsprogramm entsprechend erweitert. Hier zeigten sich verschiedene interessante Phänomene sowie aus anwendungsorientierter Sicht eine starke Beeinflussung von Stabilitäts- und Rissfortschrittsverhalten. Ein interessantes Ergebnis wurde bei Platten gefunden, bei denen zunächst eine Belastung so erfolgte, dass die Richtung des Risses parallel zur maximalen Hauptspannung liegt und erst später senkrecht dazu. Hier ergab sich ein schädigender Einfluss durch die „Vorermüdung“, der im Rissfortschritt sichtbar ist. Die genauere Untersuchung dieses Phänomens war aber nicht so erfolgreich, dass man das Verhalten als endgültig geklärt ansehen kann, da offenbar viele Parameter eine Rolle spielen und das Phänomen nicht immer signifikant auftrat.
Publications
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(2010) Crack propagation in aluminium panels due to shear forced buckling. DVM, 18th Conference on Fracture, Dresden
Bierbaum, J. & Horst, P.
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(2011) Crack propagation in buckling plates. 1st EASN Association Workshop on Aerostructures, Paris
Bierbaum, J. & Horst, P.
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(2011) Crack propagation in buckling plates: test results and a simplified numerical approach. International Journal of Structural Integrity, 2(4), 373-382
Bierbaum, J. & Horst, P.
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(2012) Finite element crack propagation analysis of shear loaded buckling panels. 1st International Conference of the International Journal of Structural Integrity, Porto
Bierbaum, J. & Horst, P.
