Reference : Ermüdungseigenschaften des Wabenkerns von sandwichpaneelen aus Aluminium
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Multidisciplinary, general & others
http://hdl.handle.net/10993/15523
Ermüdungseigenschaften des Wabenkerns von sandwichpaneelen aus Aluminium
German
Wahl, Laurent [University of Luxembourg > Faculty of Science, Technology and Communication (FSTC) > Engineering Research Unit]
26-Jun-2013
University of Luxembourg, ​Luxembourg, ​​Luxembourg
Docteur en Sciences de l'Ingénieur
215
Zuerbes, Arno
[en] Fatigue ; Aluminium ; honeycomb ; Sandwich ; shear strength ; FEM
[de] Ermüdung ; Wabenstruktur ; Schubfestigkeit
[de] Sandwichstrukturen mit Wabenkern werden im Flugzeugbau, Schienenfahrzeugbau, in der Raumfahrt oder im Fahrzeugbau benutzt und werden deshalb üblicherweise zyklisch beansprucht. Solche Sandwichpaneele bestehen aus zwei steifen Deckblechen, welche mittels einer Klebung mit dem sehr leichten Kern aus einer Wabenstruktur verbunden sind. Im Vergleich zu normalen Platten besitzen Sandwichstrukturen eine sehr hohe Steifigkeit bei niedrigem Gewicht.
Die Spannungen in Sandwichpaneelen mit Wabenkern hängen sehr stark von der Orientierung des Wabenkerns ab, da dieser nicht homogen ist. Die verschiedenen Spannungskomponenten werden analytisch hergeleitet, sodass eine schwächste Orientierung des Wabenkerns definiert werden kann. Die höchstbeanspruchte Richtung fällt nicht mit der W-Richtung (Definition in Kapitel 1) zusammen, welche die nachgiebigste Richtung ist.
Die Ermüdungsfestigkeit von Wabenkernen wurde bislang wenig untersucht. Die Ermüdungseigenschaften des Wabenkerns von Sandwichstrukturen aus Aluminium sollen in dieser Arbeit numerisch mittels Finite-Elemente-Methode und vergleichend experimentell untersucht werden. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen mit Hilfe von 3-Punkt-Biegeproben, pulsierenden Rollenversuchen, Food-Cart Roller Versuchen und mehreren Versuchen an realen Bauteilen.
Je nachdem wie die Kräfte eingeleitet werden, treten im Wabenkern zwei verschiedene Formen des Versagens auf: Der Kern wird eingedrückt (core indentation: Kerneinbuchtung) oder der Kern versagt aufgrund der Schubbelastungen. In dieser Arbeit werden mehrere kraftgeregelte Ermüdungsversuche mit konstanter Lastamplitude beschrieben und die Versagenserscheinungen werden untersucht.
Der rechnerische Teil der Arbeit beinhaltet die Modellierung der Sandwichproben mithilfe von Schalenelementen mit der Finite-Elemente Software ANSYS. Zur Reduktion der Rechenzeit von großen Modellen wurde der Kern homogenisiert, um anschließend nur einen sehr kleinen kritischen Teil der Struktur in einem Submodell genau zu modellieren. Ferner wird analytisch hergeleitet, wie aus den Resultaten des homogenisierten Kerns, reale Spannungen berechnet werden können. Zudem wird der Einfluss von Imperfektionen der Geometrie und der Lasteinleitung untersucht. Des Weiteren werden auch Beulanalysen durchgeführt.
Aufgrund dieser Simulationen können beide oben beschriebenen Versagensarten erklärt werden. Falls die Krafteinleitung die Waben zum Beulen bringt, dann entstehen hohe Biegespannungen im Wabenkern und dieser versagt durch Kerneinbuchtung. Das Beulen kann vermieden werden, indem die Kraft flächiger eingeleitet wird. In diesem Fall wird der Kern durch Druck und Schub beansprucht, und das Bauteil versagt aufgrund hoher zyklischer Schubspannungen. Somit kann aufgrund der Simulationen die Wechselfestigkeit der Proben ermittelt werden. Die rechnerische Bewertung der Probenlebensdauer stützt sich auf die FKM-Richtlinie. Alle Simulationen werden mit Versuchsergebnissen validiert.
[en] In comparison to their weight, honeycomb composite structures have a high bending stiffness, which makes them very suited for every application where little weight is important, like airplanes, railway-cars and vehicles. These structures are subjected to cyclic loading. The sandwich panels consist of two thin and stiff aluminium face sheets, which are bonded to a thick and lightweight aluminium honeycomb core.
The shear stresses in the core of these structures depend strongly on the angle of the load application, because the core is not homogeneous. The distribution and the level of the shear stresses are investigated using analytical calculations. The load direction which induces highest stresses in the honeycomb core is derived. This direction is not the W-direction, which is the most compliant one.
In literature, there are few fatigue properties of the honeycomb core described. The fatigue properties of the core are investigated in this work using the finite element method and experiments. The experimental investigations consist of three-point bending tests, pulsating roller tests, Food-Cart Roller tests and several tests on real components.
Depending on the load application, the honeycomb core fails either through core indentation or shear failure. Several fatigue tests were carried out at constant load amplitude and the failure mode is investigated.
The sandwich structures were modeled with the ANSYS finite element software. The number of elements is reduced by replacing the honeycomb core with a homogeneous core with orthotropic properties. In order to get the stresses in the honeycomb core at the critical location, a submodel was created. In this work, some equations are derived in order to calculate the real shear stresses from the shear stresses of the homogeneous core. In addition, imperfections are included in the model. Furthermore, buckling analyses were used to examine core indentation failure.
Based on these simulations, both failure modes described above can be explained. Core indentation occurs, when the honeycomb cells are buckling due to the load application. The buckling of the cells can be avoided by using a smoother load application. In this case, the core fails in the three-point bending test by shear failure. The fatigue life of the examined specimens is successfully approximated in this manuscript, with the lifetime analysis being based on the FKM-guideline. Every simulation is validated by experimental results.
[fr] Les panneaux sandwichs en nid d'abeilles sont des structures composites constituées d'une âme en nid d'abeille sur laquelle sont apposées deux peaux rigides au moyen d'une couche adhésive. Ces panneaux composites possèdent une très grande rigidité et une grande légèreté comparées à des panneaux normaux. Ainsi, les structures sandwichs avec âme en nid d'abeille sont couramment utilisées dans les industries telles que la construction aéronautique, ferroviaire et automobile, ou encore l'aérospatiale. De ce fait, elles sont généralement soumises à des contraintes cycliques.
Ces contraintes dans les panneaux sandwichs en nid d'abeilles dépendent fortement de l'orientation de l'âme, car celle-ci n'est pas homogène. Les différentes composantes des contraintes peuvent être dérivées analytiquement, de telle sorte que l'orientation la plus faible de l'âme en nid d'abeilles peut être définie. La direction concernée par les contraintes maximales (i.e. la direction la plus faible) ne coïncide pas avec la direction W, qui est la direction la plus souple.
Les propriétés de comportement en fatigue de structures sandwich avec âme à nid d'abeilles en aluminium sont étudiées dans cette thèse numériquement au moyen de la méthode des éléments finis. Les résultats sont ensuite comparés aux études expérimentales conduites en parallèle. Ces dernières consistent en des tests de flexion trois-points, des tests de roue pulsative, des tests nommés « Food-Cart Roller », et de plusieurs essais sur des composants réels.
Selon la façon dont les forces sont appliquées, l'âme en nid d'abeilles peut subir deux types d'échec de résistance à la fatigue: soit le noyau est enfoncé (i.e. « core indentation »), soit le noyau ne résiste pas aux contraintes de cisaillement. Dans le cadre de ce travail, plusieurs essais de fatigue conduits avec une amplitude de force constante sont décrits et les dommages sont étudiés.
La partie calcul du travail correspond à la modélisation des structures sandwichs par la méthode des éléments finis avec le logiciel ANSYS. Afin de réduire le temps de calcul des modèles de grande taille, la structure en nid d'abeilles a été remplacée par une âme homogène avec des propriétés orthotropiques. Néanmoins, un sous-modèle exact a été créé pour une petite partie critique de la structure. À partir des contraintes dans l'âme homogénéisée, les contraintes réelles peuvent être calculées. De plus, l'influence des imperfections de la géométrie ou de la charge est examinée dans le modèle à éléments finis. En outre, des simulations de flambage sont réalisées.
Sur base de ces simulations, les deux modes d'échec introduits ci-dessus peuvent être expliqués. Si la force entraîne le flambage de la structure en nid d'abeilles alors des contraintes de flexion élevées apparaissent dans le noyau, et le noyau est enfoncé (i.e. « core indentation »). Ce mode d'échec peut être évité si la force est appliquée sur une plus grande surface. Dans ce cas, il n'y a plus de contraintes de flexion dans le noyau, mais seulement des contraintes de pression et de cisaillement. La structure échoue alors en raison des contraintes de cisaillement cycliques élevées. Par conséquent, la résistance à la fatigue peut être déterminée sur la base des simulations en utilisant la directive FKM. Toutes les simulations sont validées avec les résultats expérimentaux.
http://hdl.handle.net/10993/15523

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