Neue Auslegungsmethode für in der Ebene belastete Gewindeeinsätze in Sandwichprofilen mit Wabenkern

  • New calculation method for in-plane loaded inserts in sandwich panels with honeycomb core

Rauschen, Philip Bastian; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor); Heimbs, Sebastian (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2023)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Berichte aus dem Leichtbau 2023,2
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Sandwichstrukturen werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften in Bezug auf ihr Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht in gewichtsoptimierten Strukturen verwendet. Neben ihren Vorteilen haben sie jedoch eine Schwäche: Gewinde können nicht in die Materialien geschnitten werden. Metallische Einsätze mit Innengewinde werden benötigt, die an der betreffenden Stelle in die Sandwichstruktur eingeklebt werden. Diese im Englischen als Insert bezeichneten Gewindeeinsätze sind in der Luft- und Raumfahrt erforscht und standardisiert worden. Das INSERTDESIGN HANDBOOK ist eine Zusammenstellung dieser Forschungsergebnisse und liefertauch Methoden zur Berechnung der maximalen Festigkeit dieser Verbindungen. Normal zur Ebene belastete Verbindungen mit Gewindeeinsätzen sind in vielen wissenschaftlichen Studienuntersucht und ihre Berechnung verifiziert worden. Im Gegensatz dazu ist das Versagen von diesen Verbindungen in der Ebene nur in einzelnen Studien behandelt worden. Die angegebene Berechnungsformel bildet die Tests nicht richtig ab. Deshalb müssen Versuche durchgeführt werden, um die Festigkeit der jeweiligen Verbindung zu bestimmen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine neue Auslegungsmethode zu entwickeln, mit der die Versagenslast von in der Ebene belasteten Gewindeeinsätzen berechnet werden kann. Zu diesem Zweck wird zunächst der Versagensablauf bei Belastung experimentell bestimmt und mithilfe von FE-Simulationen verifiziert. Hierbei wird ein Riss im Klebstoff identifiziert, der ursächlich für das Versagen dieser Verbindung ist. Auf Grundlage des Versagensablaufs wird ein federbasiertes Ersatzmodell entwickelt. Da bei den bisher durchgeführten Versuchen große Streuungen vorlagen, werden weitere Proben getestet, an denen das Ersatzmodell überprüft wird. Eine daran anschließende Parameterstudie zeigt, dass fertigungstechnische Toleranzen die Rissentstehung signifikant beeinflussen und dadurch die großen Streuungen bei den Versuchen verursachen. Dieser Einfluss wird in eigens entwickelten Versuchen verifiziert. Durch den Vergleich der gewonnenen Erkenntnisse mit der Berechnungsformel kann erklärt werden, warum diese nichtbrauchbar ist. Da die fertigungsbedingten Toleranzen mit den aktuellen Herstellungsmethoden nicht kontrollierbar sind, variiert die maximale Kraft einer Probe deutlich, sodass es nicht sinnvoll ist, einen Auslegungswert auf Grundlage der maximalen Festigkeit zu bestimmen. Deshalbwird eine neue Auslegungsphilosophie benötigt: Bei jedem Test fällt die Kraft auf ein relativ hohes Kraftniveau, bei dem der Gewindeeinsatzweiter durch die Sandwichstruktur gezogen wird. Dadurch wird die Deckschicht zusammengedrückt und fortlaufend zerstört. Die Kraft, die dazu benötigt wird, ist unabhängig vom Klebstoff und daher für alle Proben einer Verbindung gleich. Deshalb wird diese Kraft, die mit der Lochleibungsformel berechnet wird, als neuer Auslegungswert für eine in der Ebene belastete Verbindung verwendet.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau [415610]

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