Beitrag zur Gestaltung und Auslegung von 3D-verstärkten Faserverbundschlaufen

Abstract

Zukünftige Verkehrsflugzeuge haben das Ziel wirtschaftlicher und leistungsfähiger zu werden. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurde eine so genannte Miniature Trailinge Edge Device (kurz: Mini-TED) entwickelt. Die Mini-TED ist eine Spreizklappe aus einem Kohlenstofffaserverbund (CFK), die an die Unterseite der Flügel-Hinterkante mittels integraler Scharnierschlaufen aus CFK angebunden wird. Die hierbei auftretenden Belastungen wirken auf die CFK Scharnier-Schlaufen in unterschiedlichen Richtungen. Hierbei handelt es sich zum einen um schlaufentypische Belastungen, wie reine Zuglasten in Schlaufenrichtung (0° Lastrichtung). Zum Anderen treten schlaufenuntypische Lasten auf, die senkrecht zur Schlaufe wirken (Querzuglasten mit 90° Lastrichtung) und dadurch zum frühzeitigen Versagen führen. Dabei beträgt die Querzugfestigkeit ca. 10% der Zugfestigkeit. Als weiteres Beispiel wurde ein Querlenker aus der Automobilindustrie untersucht. Aufgrund von Reiblasten in den Augen treten hier ebenfalls Lasten senkrecht zur Schlaufe auf. Mittels Verstärkungen in der dritten Richtung von Faserverbundschlaufen soll primär die Festigkeit gegenüber Querzuglasten verbessert werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche Schlaufentopologien betrachtet. Die erste Schlaufentopologie ist eine Parallel-Schlaufe, die sich dadurch kennzeichnet, dass die Schlaufenlagen gerade in das Bauteil laufen und dabei meist ein Mittellaminat mit einschließen. Die Taillierten-Schlaufe zeichnet sich durch eine Zusammenführung der Schlaufenlagen hinter dem Bolzen aus. Die Halbtaillierten-Schlaufe ist eine Mischung der beiden vorherigen Varianten. Die äußeren Schlaufenlagen verlaufen gerade ins Bauteil, während die inneren Schlaufenlagen hinter dem Bolzen zusammengefügt werden.

Mittels nichtlinearer FEM Analysen wurden die verschiedenen Schlaufentopologien bei unterschiedlicher Belasten untersucht und die internen Lastverteilung berechnet. Hierbei hat sich gezeigt, dass ein Erstversagen bei allen Schlaufentopologien und Belastungen auf die interlaminare Schäl- und Scherbelastung der Zwischenschicht zwischen Schlaufenlagen und Mittellaminat zurückzuführen ist.

Es wurden interlaminare Schäl- und Scherversuche von 3D-verstärkten Proben durchgeführt. Die Probengeometrie wurde an die Parallel-Schlaufe angelehnt um eine direkte Übertragbarkeit der Versuche zu gewährleisten. Des Weiteren wurden 3D-Verstärkungen mit unterschiedlichem Nahtwinkel und Stichabstand untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass die interlaminare Schälfestigkeit enorm gesteigert werden kann. Gleichzeitig konnte die interlaminare Scherfestigkeit kaum verbessert werden bzw. bei Nähten unter 90° zeigte sich sogar eine leichte Schwächung.

Die Auswirkung der 3D-Verstärkung auf die verschiedenen Schlaufentopologien wurde in statischen Versuchen untersucht. Die Versuche mit 3D-Verstärkungen zeigten, dass das Erstversagen bei reiner Zuglast unter 0° nur bei der Taillierten-Schlaufe verbessert werden kann und bei den anderen Schlaufentopolgoien eher zu einer Verschlechterung führt. Bei gemischter Belastung unter 45° konnte eine leichte Verbesserung des Erstversagens infolge einer 3D-Verstärkung aufgezeigt werden. Die Verbesserung der Restversagens konnte jedoch erheblich gesteigert werden, da die 3D-Verstärkung die fortschreitende Delamination behindern. Die größte Verbesserung der Festigkeiten zeigte sich bei der Querzugbelastung unter 90°. Hierbei zeigte sich eine deutliche Steigerung des Erst- und Restversagens. Die Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Implementierung eines Innenrings in die Schlaufe das Erst- und Restversagen zusätzlich erheblich verbessern kann, da hierdurch die Anbindung der Schlaufenlagen an das Mittellaminat im kritischen Bereich zusätzlich verstärkt wird.

Die Ermüdungsfestigkeit wurde in Lebensdauerversuchen untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass mittels einer 3D-Verstärkung die Ermüdungsfestigkeit bei 0° Zuglasten deutlich verbessert werden kann. Bei Zuglasten in 90° Lastrichtung konnte die Ermüdungsfestigkeit durch eine 3D-Verstärkung mit zusätzlichen Innenring sogar über die statische Festigkeit der unverstärkten Probe hinaus verbessert werden.

Das Schädigungsverhalten der 3D-verstärkten interlaminaren Schäl- und Scherversuche so wie der Parallel-Schlaufe, wurde in nicht linearen FEM Analysen mit numerischen Degradationsmodellen nachgebildet. Die angewandten Versagensmechanismen unterschieden sich für eine Schädigung in einer unidirektionalen (UD) Schicht und einer Delamination zwischen zwei UD-Schichten. Diese wurden mittels Unterprogrammen in das nicht lineare FEM Tool "Marc-Mentat" der Firma MSC Software integriert. Es hat sich gezeigt, dass das Schadensverhalten sehr gut nachgebildet werden kann. Die Abweichung zwischen den berechneten und den experimentell ermittelten Versagenslasten war moderat.

Zuletzt wurden anhand der Ergebnisse aus den durchgeführten Arbeiten Gestaltungsrichtlinien für Faserverbundschlaufen abgeleitet.

Future Aircrafts are aiming to be more economic with an increase in performance. A Miniature Trailing Edge Device (Mini-TED) was developed to increase the aerodynamic efficiency. The Mini-TED is a carbon reinforced fiber plastic (CFRP) split flap that is mounted with CFRP hinges designed as force introduction loops to the lower edge of the wing trailing edge. The loading of the hinges varies at different hinge positions. On one hand tension loads (0° loading) occur on the CFRP hinges, which are typical loop loading. On the other hand, there are loadings perpendicular to the hinge loop (90° loading), which is an untypical loop loading. These 90° loadings lead to a failure of the hinge loops at low forces. The loop strength under 90° loading is about 10% of the loop strength at 0° loading. The second example of a force introduction loop used in this thesis is a transverse link from the automobile industry. These transverse links are loaded with tension in 0° and additionally in 90° direction due to friction in the bearings. The primary aim of this work is to improve the strength of force introduction loops loaded in 90° direction.

This thesis focuses on different force introduction loop topologies. The first topology is a Parallel-Loop. The Parallel-Loop consists of loop plies, which continue straight behind the bolt. Between the loop plies is a middle laminate. The Waisted-Loop has loop plies that are combined behind the bolt. Therefore the "middle laminate" is outside the loop plies. The Partly-Waisted-Loop is a mixture of the Parallel-Loop und the Waisted-Loop. The outer loop plies continue straight behind the bolt, while the inner loop plies are combined. The "middle laminate" is between the inner and outer loop plies.

Non linear FEM analyses were performed for the different loop topologies and with loads in 0°, 45° and 90° direction. The numerical calculations have shown that the interlamaninar peel and shear load between the loop plies and the middle laminate lead to a first ply failure for all loop topologies and loadings.

The effects of 3D-reinforcement on the interlaminar properties were investigated with interlaminar peel and shear tests. The design of the specimen was adapted to the Parallel-Loops for a good transfer of the test results. The experiments have shown that the interlaminare peel strength can drastically be improved by 3D- reinforcements, while the interlaminar shear strength was barely enhanced.

The effect of 3D-reinforcements on force introduction loops was investigated with static coupon test. The tests with 0° tension loading have shown that an improvement of first ply failure was only visible for the Waisted-Loop while the strength for first ply failure was lightly decreased for all other loops. At static loading in 45° direction, the 3D-reinforcement of hinge loops showed a light increase for first ply failure, but a large improvement of the static strength. The best results for an improvement could be seen at the static test with 90° tension loads. Here, first ply failure and static strength of the 3D-reinforced loop was significantly increased. The tests have also shown that an additional inner ring inside the loop leads to a major improvement for all investigated loadings.

The fatigue strength of hinge loops was investigated with dynamic coupon tests for 0° and 90° loading. The 0° tension tests have shown, that the fatigue strength can considerably be improved by 3D-reinforcements with an additional inner ring. This increase was even more visible at the fatigue test with 90° loading. The fatigue strength of 3D-reinforced loops with an additional inner ring was even higher than the static strength for first ply failure of non reinforced loops.

The damage behavior of the interlaminar peel and shear tests as well as of a Parallel-Loop was investigated with non linear FEM analysis including additional degradation models. The degradation models had different analysis methods for failure within UD-layers and delaminations in between two different layers. These degradation models were integrated with subroutines in the non linear FEM software "Marc-Mentat" from MSC Software. The calculations showed a good compliance with the damage behavior of the tests. The deviation of the static strength between the experiments and the calculations was moderate.

Finally, the results from the experiments and calculations were transferred into design rules for force introduction loops.