Simulation und experimentelle Untersuchung von Nietverbindun­gen an thermoplasti­schen Faserverbund­bauteilen

Überblick

Selbst einhundert Jahre nach Einführung der Metallbauweise im Flugzeugbau ist das Nieten immer noch das Standardverfahren zum Fügen von Strukturbauteilen. In den letzten Jahrzehnten finden, motiviert durch die Möglichkeit zur Reduktion der Strukturmasse, zunehmend Faserverbundbauteile Anwendung in der Primär- und Sekundärstruktur von Luftfahrzeugen. Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoffe weisen ausgeprägte anisotrope mechanische Eigenschaften auf. Auch sind die Eigenschaften stark von Lagenausrichtung und Reihenfolge der Schichtung abhängig. Daher ist die Vorhersage der Tragfähigkeit von Nietverbindungen zwischen Komposit-Bauteilen oft komplexer als die zwischen entsprechenden Aluminiumwerkstücken.

Ein valides Mittel zur Erkenntnisgewinnung sind Experimente. Durch den erforderlichen Einsatz an Material und Arbeitszeit sind experimentelle Untersuchungen allerdings vergleichsweise teuer. Eine günstigere Alternative bzw. Ergänzung bietet daher die numerische Simulation der Verbindung mittels der Methode der finiten Elemente. Ein weiterer Vorteil von simulativen Untersuchungen ist die relativ unkomplizierte Durchführung von Parameterstudien. So kann beispielsweise untersucht werden, wie sich Lagenfolge, Faserwinkel und Verstärkungselemente wie Patches auf die Festigkeit der Nietverbindung auswirken, ohne das für jeden untersuchten Fall Proben hergestellt werden müssen. Um die Validität der Simulationsergebnisse sicher zu stellen, sollten diese für einige repräsentative Testfälle mit Versuchsergebnissen verglichen werden.

© Alfred T. Palmer

© Christopher Boffoli

Aufgabenschwerpunkte

• Recherche zur Simulation von Nietverbindungen von Faserverbundbauteilen
• Modellierung der Nietverbindung
• Bestimmung der Tragfähigkeit der Verbindung sowie der Versagensmodi mittels FEM
• Analyse des Einfluss von Lagenwinkel und Schichtung auf die Festigkeit der Verbindung
• Untersuchung von Möglichkeiten der Steigerung der Tragfähigkeit (Patches, Inlays … )
• Gegebenenfalls Experimente zur Validierung des gewählten Modellierungsansatzes