Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2339
Main Title: Impactverhalten von hybriden Verbundwerkstoffen mit metallischem Ringgeflecht
Translated Title: Impact behaviour of hybrid composites with metallic chain mail
Author(s): Burger, Uli
Advisor(s): Thorbeck, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Hybridverbundwerkstoffe nehmen in modernen Leichtbaustrukturen, beispielsweise im Luftfahrtzeugbereich,einen immer größeren Anteil ein. Materialien verschiedener Werkstoffklassen werden dabei mit dem Ziel einer Steigerung gegenüber ihren individuellen Eigenschaften verbunden. In dieser Arbeit wird ein vom Autor entwickelter neuartiger Hybridverbund aus metallischem Ringgeflecht und Faserverbundwerkstoffen untersucht. Als Material für die Geflechte wird dabei Titan Grade 2 oder Stahl 1.4306 verwendet. Der Faserverbund besteht aus Kohlefasern als unidirektionales Gelege mit Polyetheretherketonmatrix oder Gewebe mitEpoxidharzmatrix. Dieser neue Werkstoff wird im Folgenden als CarbonICE bezeichnet. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Impactverhaltens von metallgeflechtverstärkten Faserverbunden, speziell der Bereich des Hochgeschwindigkeitsimpacts. Dieser tritt in Bezug auf Luftfahrtzeugstrukturen vor allem beim Foreign Object Damage, z.B. Vogel- oder Hagelschlag, auf. Neben der erstmaligen Herstellung von Mustern der neuen Werkstoffkombination werden daher experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese beinhalten 3-Punkt-Biegeversuche, Charpy-Schlagprüfungen und Impactversuche bei höheren Geschwindigkeiten mit Eiskugeln auf einer eigens entwickelten Beschussanlage. Begleitend dazu wurden die Möglichkeiten zur numerischen Simulation mittels der Finiten Elemente Methode(FEM) des neuen Werkstoffs und des Impactvorganges betrachtet. Aus den Experimenten und Simulationen können erste Kennwerte und Charakteristika abgeleitet werden. Zu Referenzzwecken wurden unverstärkte kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) in die Untersuchungen mit einbezogen. Anhand der experimentellen Untersuchungen kann festgestellt werden, das eine Steigerung der Impacttoleranz gegenüber unverstärkten CFK-Varianten erreicht wird. Auf Basis dieser erfolgte zudem die erfolgreiche Modellierung des neuen Werkstoffs mit einem marktüblichen FEM-Programm, so dass das Verhalten unter schlagartigen Belastungen wie beim Impact mittels Simulationen nachgebildet werden kann. Dies dient abschließend einer ersten Parameterstudie zur Optimierung des Lagenaufbaus. Des Weiteren werden mögliche Anwendungsgebiete in Luftfahrtzeugstrukturen kurz dargestellt.
Hybrid composites are playing an important role in modern lightweight structures, for example in aircraft design. Different material classes are combined together with the aim to improve their individual properties. In this thesis a new hybrid developed by the author based on metallic chain mail and fibre composites is investigated. Titan Grade 2 and steel alloy 1.4306 is used for the chain mail. The fibre composite is made out of carbon fibres, unidirectional with polyetheretherketone matrix or woven with epoxy matrix. This new material is in the following named CarbonICE. The scope of this thesis is the investigation of the impact behavior of fibre composites reinforced with metallic chain mail, especially the field of high velocity impact. In relation to aircraft structures this is the case for foreign object damage, like bird strike or hail ice impact. Besides the first production of samples of the new material combination experimental investigations are carried out. These include 3-point-bending tests, Charpy-Impact tests and ice impact tests at high velocity on a self-developed gas gun. Testing is accompanied by looking at the possibilities of numerical simulation of the new material and the impact event with the help of the finite element method (FEM). Based on the experiments and simulations first material values and characteristics could be obtained. For reference, non reinforced carbon fibre reinforced plastics (CFRP) are investigated additionally. With the experimental results it could be obtained, that an increase of impact tolerance compared to the non reinforced CFRP is realized. On the basis of these also the modeling of the new material with a common finite element code successfully takes place, so that the behavior under impact loads could be evaluated with numerical simulations. For conclusion this is used for a first parameter study to optimize the lay-up. Additionally possible fields of application in aircraft structures are briefly addressed.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-24882
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2636
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2339
Exam Date: 30-Oct-2009
Issue Date: 13-Jan-2010
Date Available: 13-Jan-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CFK
FOD
Hybridverbund
Ringgeflecht
Schlagzähigkeit
CFRP
Chain mail
FOD
Hybrid composite
Impact strength
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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