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Organisationseinheit der BAM
Moderne Leichtbaustrukturen (Luftfahrt, Eisenbahn, Automotive) aus Faserverbundwerkstoffen (FVW) sind hohen mechanischen und klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Aussagen über die Lebensdauer und Funktionssicherheit der FVW-Bauteile können eher aus Untersuchungen der mikromechanischen Eigenschaften gewonnen werden als aus der globalen Festigkeit. Die Röntgenrefraktionstopografie ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von inneren Oberflächen in Werkstoffen. Angewendet auf FVW lassen sich Aussagen über die Faserorientierungen, die Fertigungsqualität sowie über Faser-Matrix-Ablösungen und Matrixrisse infolge mechanischer Beanspruchung gewinnen. Nachfolgend wird ein neues Verfahren zur Bestimmung des Zwischenfaserbruchversagens am komplexen Laminat vorgestellt. Hierbei wird das Röntgenrefraktionsverfahren "online bei Zug-Belastung der Probe angewendet.
In a research project fatigue tests on two identical wing sections that are used as representative substitute components were performed to estimate lifetime enhancement of light-weight aircraft such as general aviation gliders. Single step fatigue tests at limit load on one component were compared with spectrum loading on the other. A characteristic damage behaviour was observed. Local buckling due to high shear loading of the sandwich core of the wing shell causes the main damage. Even though an intentionally high load level was chosen no increase of micro-cracking could be detected. Additionally no delamination effects in laminates or bondings were observed except the skin-core delamination which causes the buckling effect in the wing shell due to fatigue loading. Finally the concept of using representative substructures and accompanying specimen tests is an effective approach for in-service loading investigations and could also be applied to research on wind turbine blades.
Proben mit einer Mittelkerbe aus Polyamid 66 mit 35% Gewichtsan-teil an Kurzglasfaser (PA-GF35) wurden im Spritzgießverfahren hergestellt und in einem ungeschädigten und durch Schwingbeanspruch geschädigten Zustand mittels Röntgenverfahren charakterisiert. Sowohl die Faserorientierungsverteilung als auch die Riss-/Mikrorissbildung wurden mit der Röntgenrefraktionstopographie in einem SAXS-Aufbau und dem Diffraction-Enhanced-Imaging am Synchrotron (BESSY II) analysiert. Beide Verfahren spiegeln in guter Übereinstimmung die Charakteristiken dieser Werkstoffklasse in Bezug auf die Fertigungsqualität und die Schädigungsme-chanismen wider.
Hinsichtlich Materialermüdung und Betriebsfestigkeit in Faserkunststoffverbunden besteht - verglichen mit anderen Aspekten des Faserverbundleichtbaues – noch erheblicher Forschungsbedarf. Schon weit vor den globalen Festigkeiten des Laminates treten eine Vielzahl von Zwischenfaserbrüchen und vereinzelte Faserbrüche auf. Die Dichte dieser Mikrorisse soll hier als Indikator für den Zustand des Verbundes genutzt werden. Ihre Ermittlung stellt insbesondere bei Kohlenstofffasern eine Herausforderung dar. Über vergleichende Messungen mit der Schallemissionsanalyse (SEA) und der Röntgenrefraktionsscans (RR) wird die Entwicklung der Rissdichte bei Belastung untersucht. Die SEA zeichnet die Entstehung der Risse auf und kann wegen der kompakten Messtechnik auch gut am Bauteil eingesetzt werden. Die RR beobachtet die Änderung der inneren Grenzflächen, die ebenfalls die Entwicklung der Rissdichte widerspiegelt. Sie ist allerdings zurzeit nur als Laborverfahren geeignet. Der Vortrag berichtet(e) über den aktuellen Stand des vergleichenden Einsatzes beider Verfahren an Flachproben und innendruckbelasteten Rohrproben.
Glass-fibre-reinforced plastics (GFRP) are commonly used for the construction of pressure vessels and tanks for example in automotive and aerospace industries. Especially for pressure vessels used for the storage of natural gas or hydrogen with operation pressures up to 700 bar, an early material fatigue detection is of great interest. Measuring the distributed strain profile of GFRP structures helps to understand and detect material fatigue. In this article, we demonstrate the great potential of swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of pressure vessels made from GFRP. A resin transfer molding (RTM) process was used to manufacture GFRP-tube specimens. Commercial optical fibres with polyimid coating were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. A cyclic load of up to 150 bar was applied to the samples using a servo-hydraulic test bench. Comparing the loaded and unloaded test conditions, we determined up to 2 % elongation in circumferential direction. We demonstrate reliable distributed strain measurements with sub-centimetre spatial resolution. By monitoring these high-resolution strain profiles, we were able to detect local material degradation that manifested itself as localized strain changes. Crucially, the material Degradation could be detected already after 75 % of dat the fatigue life before a crack appeared that led to leakage.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
CFRP are more and more used in modern civil aircrafts hence the whole fuselage is made of this material (B787; A350). Due to strict certification Standards finally the normal in-service loading gives a low stress level compared to the static and even the fatigue strength of the material. Hence CFRP are assumed to have an infinite life. To evaluate this assumption, fatigue tests on CFRP-specimens were performed up to 108 load cycles. The first inter-fiber failure was evaluated non-destructively by the fatigue tests accompanying X-ray-refraction topography altemately and in-situ mechanical loading. The basic idea of the investigation is represented in fig. 1. At low load levels it could not be assumed the total failure of the samples. Hence accompanying non-destructive testing (NDT) is mandatory to get information about the damage state of the material.
Short glass fiber reinforced polyamides are increasingly used in automotive applications. Concepts and models are needed, which enable the prediction of the structural durability. The fiber orientation and the content of moisture have a major influence on the fracture mechanical properties and on the damage mechanisms. The complex crack growth behavior was investigated and described in an empirical model.
Die Restlebensdauerabschätzung von Faserkunststoffverbunden ist ein ungelöstes
Problem. Die Beobachtung der Matrixschädigung ist dabei ein vielversprechender Ansatz zur Bewertung des Schädigungszustandes insgesamt. Unter kombinierter Beobachtung mit Röntgenrefraktionsmessungen und Schallemissionsmessung wurden uni- und biaxiale Lasten statisch und zyklisch auf Kohlenstofffaserepoxidharz-Proben aufgebracht. Die uniaxiale Belastung erfolgt mittels einer eigenentwickelten Kompaktprüfmaschine direkt während der Röntgenrefraktions- und Schallemissionsmessung in der Röntgenkammer. Die biaxiale Belastung wird an Modelldruckbehältern ebenfalls mit Schallemissionsmessung durchgeführt. Hier wird der Modelldruckbehälter mit dem Röntgenrefraktionsverfahren periodisch inspiziert.