Zuverlässigkeitsbasierte Auslegung unversteifter CFK-Zylinderschalen unter Material- und Strukturunsicherheiten
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt „Zuverlässigkeitsbasierte Auslegung unversteifter CFK-Zylinderschalen unter Materialund Strukturunsicherheiten“ sind zur Erhöhung der statistischen Daten dünnwandige CFK-Zylinderschalen mit unterschiedlichen R/t-Verhältnis erfolgreich hergestellt, vermessen und getestet worden. Motiviert ist diese Arbeit dadurch, dass zur robusten Auslegung dünnwandiger CFK-Zylinderschalen keine hinreichend große Datenbasis vorliegt und so eine Bemessungen dünnwandiger CFK-Zylinderschalen entweder zu konservativen oder wenig robusten Entwürfen führen. Zu Erhöhung dieser Datenbasis trägt dieses Projekt erfolgreich bei. Mit der geplanten Veröffentlichung der Fourierkoeffizienten besteht zusätzlich anderen Forschern die Möglichkeit, ihre Ansätze zu erproben und zu validieren. In einer numerischen Studie konnte nachgewiesen werden, dass das Aufspannen der Zylinder die geometrischen Imperfektionsmuster ändert, allerdings nicht den Beullast bestimmenden Teil des Musters. Des Weiteren wurde gezeigt, dass bei dem vorliegenden Durchmesser, Wandstärke und Lagenaufbau die Sensitivität der Beullast auf Änderung der geometrischen Imperfektionen nicht mit einer zunehmenden Zylinderlänge zunimmt. Der Versuchsaufbau für die Beulversuche der kleinen Zylinder auf dem Hexapodprüfstand konnte verbessert werden, sodass die eingebrachten Querkräfte deutlich verringert werden und nicht mehr der größte Einflussfaktor auf die Beullast sind. Ferner sei an dieser Stelle angemerkt, dass mit dem Prüfstand die Querkräfte messbar sind. Die meisten anderen in der Literatur angegebenen Versuche können hingegen auftretende Querkräfte nicht quantifizieren. Überraschend war das quasi elastische Beulverhalten der kleinen Zylinder. Dies war bei der relativ geringen Dünnwandigkeit und den vorangehenden Ergebnissen nicht erwartet worden. Diese Tatsache ermöglichte eine Variation der Randbedingungen. Ferner können in Zukunft an diesen Zylinder weitere Tests durchgeführt werden. Bei den kleinen Zylindern konnte eine Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Beullast, wie z. B. die Zylinderwanddickenverteilung, die auftretenden Querkräfte bei verschiedenen Versuchsrandbedingungen, fertigungsbedingte Eigenspannungen oder auch die geometrischen Imperfektionen, quantifiziert werden und Teilabminderungsfaktoren abgeleitet werden. Für die großen Zylinder ist ein neuer Versuchsaufbau erfolgreich entwickelt wurden. Ein Zylinder wurde bereits erfolgreich getestet. Die weiteren Tests sind in Planung. Abschließend können die Ergebnisse mit den kleinen Zylindern verglichen werden und so die Sensitivität der Einflussgrößen auf die Beullast bei verschiedenen R/t-Verhältnissen verglichen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Requirements for Experimental Validation to Analyze the Buckling of Unstiffened CFRP Cylinders.1st Symposium on Lightweigth Design in Product Development, Zurich, June 14-16 2018
Hartwich, T.; Oltmann, J.; Krause, D.
- The Influence of Geometric Imperfections of Different Tolerance Levels on the Buckling Load of Unstiffened CFRP Cylindrical Shells. in Proceedings of the 22nd International Conference on Composite Materials (ICCM22), Melbourne, Australia, 11. - 16. August 2019
Hartwich, T. S.; Krause, D.
- Transferability of Boundary Conditions in Testing and Validation of Lightweight Structures, 30. DfX-Symposium, Hamburg 2019
Heyden, E; Hartwich, T. S.; Schwenke, J., Krause, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.35199/dfx2019.8) - Designing Ligthweight Structures under Consideration of Material and Structure Uncertainties on Different Levels of the Building Block Approach, 31. DfX-Symposium, Bamberg 2020
Hartwich, T. S., Völkl, H., Wartzack, S, Krause, D.
