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Title
Auswirkungen von Unsicherheiten auf das mechanische Verhalten von Gewebelaminaten / von Andreas Lobner
AuthorLobner, Andreas
CensorPahr, Dieter
Published2009
DescriptionV, 101 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2009
Annotation
Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)faserverstärkte Kunststoffe / Gewebelaminate / Finite Elemente / Sensitivitätsanalyse / Robustheitsbewertung
Keywords (EN)fiber reinforced polymers / woven fabric laminates / finite element method / sensitivity analysis / robustness evaluation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-35073 Persistent Identifier (URN)
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Auswirkungen von Unsicherheiten auf das mechanische Verhalten von Gewebelaminaten [2.98 mb]
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Abstract (German)

Faserverstärkte Kunststoffe finden in technischen Anwendungen einen immer stärkeren Einsatz. Eine besondere Gruppe der faserverstärkten Kunststoffe sind Gewebelaminate, ein Geflecht aus Kohlefaserbündeln, welche vor allem im Bereich des Flugzeugbaus ihre Anwendung finden. Die makromechanischen Eigenschaften der Gewebelaminate sind sowohl von den geometrischen Abmessungen und topologischen Anordnungen der Faserbündel auf Mikro- und Mesoskala als auch von den Materialeigenschaften der Einzelkomponenten abhängig. Diese zahlreichen Parameter ermöglichen einerseits das gezielte Entwerfen von Werkstoffen mit gewünschten mechanischen Eigenschaften. Anderseits verursachen viele Parameter auch eine hohe Streuung der mechanischen Eigenschaften. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Auswirkungen der geometrischen Abmessungen der Faserbündel und der Materialeigenschaften der Einzelkomponenten eines 3 schichtigen 2/2 Twill Gewebelaminates auf ihre Steifigkeit und Festigkeit untersucht. Die quantitativen Auswirkungen von Geometrie und Materialeigenschaften des Gewebelaminates werden mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente bestimmt und graphisch durch "Response Surfaces" dargestellt. Aus diesen gewonnen Informationen werden mechanische Erklärungsmodelle für das Verhalten des Gewebelaminates erstellt und praktische Vorschläge für die Optimierung des untersuchten Gewebelaminates ausgearbeitet. Die Bestimmung der Streuung der makromechanischen Eigenschaften des Gewebelaminates erfolgt durch 100 Finite Elemente Simulationen, wobei die geometrischen Abmessungen und Materialeigenschaften der Einzelkomponenten zufällig nach den "Latin Hypercube" Konzept streuen.

Die dafür zugrundeliegenden Wahrscheinlichkeitsfunktionen basieren auf mehreren durchgeführten Mikroschliffproben eines 2/2 Twill Kohlestofffaser-Gewebelaminats. Aus diesen gewonnen Informationen wird der notwendige Sicherheitsfaktor für die Berücksichtigung aller Unsicherheiten des Gewebelaminates berechnet und jene Parameter identifiziert mit welchen eine signifikante Reduktion des Sicherheitsfaktors bei der Verringerung ihrer Streuungen möglich ist.

Abstract (English)

Fiber reinforced plastics are used in many technical applications. A special part of fiber reinforced plastics are woven fabric laminates which are frequently used in the aircraft industry. The macromechanical properties of woven fabric laminates depend on geometrical dimensions and topological configurations of the fiber bundles as well as on material properties of the single constituents. On the one hand several parameters allow a proper material design with optimized macromechanical properties but on the other hand numerous parameters may cause a large statistical spread of macromechanical properties.

The present work analyzes the influence on the stiffness and the strength of geometrical dimensions of fiber bundles and material properties of a 2/2 Twill woven fabric laminate composed of three layers. The quantitative influence of the geometrical dimensions and material properties of the woven fabric laminate are determined by using the finite element method and are visualized with the help of response surfaces. Response surfaces provide the information to create an explanatory model of the mechanical behavior and to optimize the woven fabric laminate.

Numerous parameters may cause a large statistical spread of macromechanical properties, which is determined based on 100 finite element simulations. The geometrical dimensions and material properties are randomly distributed for these simulations and the probability distribution is based on data obtained by light microscopy. The randomly distributed parameters are created with the "Latin Hypercube" concept.

The result is a failure safety factor. In conclusion all parameters which reduce the safety factor are identified.