KUNSTSTOFF XTRA
Prozesstechnik
Optimierung von Sandwichverbunden
Sandwichverbunde mit Kavitäten im Kern Bei Sandwichstrukturen können in der Kernschicht makroskopische Aussparungen vorgesehen werden, sodass lokal Kavitäten entstehen. Dies bringt neben einer Einsparung von Gewicht den Vorteil von zusätzlichem Bauraum mit sich, welcher z.B. durch den Einbau funktionaler Komponenten genutzt werden kann (Bild 1).
Während die mechanische Analyse von Sandwichstrukturen mit homogenen Kernen in der Fachliteratur umfassend dokumentiert ist und dem Stand der Technik entspricht, gibt es für Sandwichstrukturen mit lokalen, makroskopischen Kavitäten keine allgemeingültigen Formeln zur Dimensionierung. Da für die Auslegung derartiger Bauteile bisher aufwändige FE-Analysen durchgeführt werden mussten, besteht das Bedürfnis nach einer analytischen Wegleitung zur Grobdimensionierung. Die vorliegenden Ausführungen begrenzen sich dabei vorerst auf Sandwichbalken mit unterschiedlichen Belastungen (Bild 2).
Versagensarten Mechanisch belastete Sandwichstrukturen können auf verschiedene Arten in ihrer Funktion versagen. Neben unzureichender Steifigkeit, dem Überschreiten der Festigkeiten in Deckschichten, Kern oder der Verbindung zwischen Kern und Deckschicht, spielen insbesondere Instabilitäten eine grosse Rolle. Sind die Deckschichten aufgrund der Kavitäten nur noch lokal vom Kern gestützt, besteht eine erhöhte Gefahr von lokalen Instabilitäten. Es kann zum Beulen der Deckschichten über den freistehenden Feldern oder zum Ausbeulen der schlanken Kernstege kommen.
Modellierung des mechanischen Verhaltens Zur Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von Sandwichbalken mit KaviProf. Dr. Markus Henne, Luca Müller, IWK, Fachbereich Mechanische Systeme
1
14
Bilder: IWK
Markus Henne1, Luca Müller1
Bild 1: Tragfläche einer Fixed Wing Drohne mit integrierter Elektronik.
täten werden neben theoretischen Betrachtungen umfangreiche Parameterstudien mit FE-Simulationen durchgeführt. Dabei wird der Einfluss der Materialeigenschaften und geometrischen Proportionen auf die Spannungsverläufe, Verformungen und Instabilitäten untersucht. Basierend auf den theoretischen Grundlagen und den Ergebnissen aus den numerischen Parameterstudien werden die bekannten analytischen Modelle durch semi-empirisch hergeleitete Formeln erweitert, um so den Einfluss von rechteckigen Kavitäten zu berücksichtigen. Es hat sich gezeigt, dass sich Sandwichbalken mit Kavitäten unter reiner Biegebeanspruchung ähnlich verhalten wie solche ohne Kavitäten. Das Biegemoment wird dabei in ein Kräftepaar umgewandelt, das in den Deckschichten zu Zug- bzw. Druckspannungen führt. Die Verformung kann durch Lösen der Biegedifferentialgleichung unter Berücksichtigung der entsprechenden Randbedingungen ermittelt werden. Ist der Sandwichbalken zusätzlich zur Biegung durch Querkräfte beansprucht, entstehen in den Deckschichten Sekundär-
spannungen, welche sich mit den Biegespannungen überlagern. Diese Sekundärspannungen wirken in der Deckschicht ebene und äussern sich in einem ebenen Spannungszustand. Zur Berechnung der Sekundärspannungen werden die freistehenden Felder über den Kavitäten als isotrope Platten betrachtet. Gemäss Verformungs-Spannungs-Beziehungen aus der Plattentheorie rufen Krümmungen und Drillungen Spannungen in den Deckschichten hervor. Die Sekundärspannungen erreichen insbesondere im Randbereich der Kavitäten ihr Maximum (Bild 3). Das Verhalten lässt sich durch Betrachtung
Bild 2: Sandwichbalken mit rechteckigen Aussparungen.
3/2021
