Labor Faserverbundtechnik (LFT)
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Die vorliegende Arbeit beschreibt empirische, analytische und numerische Untersuchungen an zylindrischen Klebstoffverbindungen unter Biegebelastungen. Die Klebstoffverbindung zwischen dem isotropen und anisotropen Fügepartner ist als zylindrische Überlappverbindung ausgeführt. Der äußere Fügepartner besteht aus einer Aluminiumlegierung während der innere Fügepatrner aus glasfaserverstärktem Kunststoff im Filament-Winding-Verfahren hergestellt ist. Die Klebstoffschicht des hochtemperaturvernetzenden Epoxidklebstoffs hat eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Die Biegebelastung wird, analog eines Kragträgers, durch eine Querkraftbelastung und eine feste Einspannung in der Verbindung hervorgerufen.
Ziel dieser Arbeit ist die Identifizierung und Qualifizierung von konstruktiven Einflussfaktoren, welche für die Dimensionierung maßgebliche Bedeutung besitzen. Die Grundlage bildet dabei ein analytisches Berechnungsverfahren welches die Schubspannungsverteilung in der Klebstoffschicht vereinfacht beschreibt.
Umfangreiche Materialcharakterisierungen des Klebstoffsystems sowie des glasfaserverstärkten Kunststofffügepartners stellen die Grundlage der analytischen und numerischen Berechnungsverfahren. Aufbauend auf einer globalen Betrachtung des Kraftübertragungsmechanismus werden detaillierte Untersuchungen der Fügepartnersteifigkeiten, des Anisotropiegrads sowie der Überlappungslänge durchgeführt. All diese Parameterstudien werden hinsichtlich ihrer Wirkprinzipien diskutiert und mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen abgeglichen.
Es zeigte sich eine generell gute Übereinstimmung zwischen den Resultaten des analytischen Modells, den Finite-Elemente-Simulationen und den experimentellen Befunden. Im Rahmen einer Verformungsanalyse zeigte sich der Effekt einer lokalen Sekundärbiegung der Verbindung, welcher durch die exzentrische Anordnung der Fügeteile hervorgerufen wird.
In Bezug auf die Längsverzerrungen der Fügepartner und die resultierenden Schubspannungen in der Klebstoffschicht wurde eine klare Analogie zu ebenen und axial belasteten Überlappverbindungen erkannt. Fundamentale Zusammenhänge, wie die konvergierende Abhängigkeit zwischen der maximalen Schubspannungsspitze und der Überlappungslänge oder der Beziehung zwischen den Fügeteilsteifigkeiten und der Schubspannungsverteilung, sind entsprechend der Untersuchungen auch für zylindrische Überlappverbindungen gültig. Bei Biegebelastung sind jedoch die Flächenträgheitsmomente und nicht die Querschnittsflächen der Fügepartner für den Schubspannungsverlauf in der Klebstoffschicht prägend.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Radius der zylindrischen Verbindung bei axialer Belastung in einer indirekt proportionalen Beziehung zum mittleren Schubspannungsniveau steht. Bei Biegebelastung ist diese Beziehung jedoch indirekt quadratisch, wodurch der Durchmesser der zylindrischen Verbindung in diesem Kontext einen deutlich höheren Einfluss aufweist. In Bezug auf den anisotropen Fügepartner wurde dessen Längssteifigkeit als prägend für die Schubspannungsverteilung identifiziert.
Shock-tube tests on conventional windows: Exploring retrofit concepts for enhanced blast protection
(2024)
Ensuring blast protection for existing buildings, especially addressing the vulnerability of conventional windows, is a significant challenge. Such unprotected windows can shatter even with moderate blast loads, posing a substantial risk of injury to occupants. This article discusses experimental research on enhancing the blast protection of single casement windows with insulating glass units and frames made of unplasticized polyvinyl chloride (uPVC). A retrofit concept using anti-shatter films, metallic sash reinforcements, adhesive bonding of the glazing to the sash frame, and a burglary resistance fitting-system was developed and tested in an explosion-driven shock-tube. Moreover, novel patches made of glass fiber-reinforced polymer applied to the corners of the window frames have been tested and proven effective in providing additional strength to the window. The study concludes that the tested combination of retrofit measures can significantly reduce hazards from window fragments without compromising functionality or aesthetics.
In order to determine the influence of the ondulations in fabrics on the damping properties of fiber-reinforced plastics, the structural dynamic properties of fabric- and unidirectionally reinforced plastics are investigated. The free decay behavior of flat beam-like specimens is investigated under fixed-free boundary conditions. As the material damping is consistently higher in fabric-reinforced specimens compared to unidirectionally reinforced ones, a contribution of an additionally acting mesomechanic kinematic in fabric weaves is implied. Based on a degree of ondulation, it is possible to classify the enhancement of the material damping and determine the corresponding energy dissipation. The study provides valuable quantitative relations of the additional damping effect due to the mesomechanic kinematic. Compared to the unidirectionally reinforced material, plain weave enhances the material damping by 37…52% at ˜OPL=0.0133 , whereas twill weave 2/2 enhances it by 31…40% at ˜OT2=0.0098 . The consideration of the findings contributes to a deeper understanding of the visco-elastic dynamic behavior of fabric-reinforced plastics and allows further applications in research, development, and industry.
Test Setup for Investigating the Impact Behavior of Biaxially Prestressed Composite Laminates
(2024)
Instrumented impact testing and compression-after-impact testing are important to adequately qualify material behavior and safely design composite structures. However, the stresses to which fiber-reinforced plastic components are typically subjected in practice are not considered in the impact test methods recommended in guidelines or standards. In this paper, a test setup for investigating the impact behavior of composite specimens under plane uniaxial and biaxial preloading is presented. For this purpose, a special test setup consisting of a biaxial testing machine and a specially designed drop-weight tower was developed. The design decisions were derived from existing guidelines and standards with the aim of inducing barely visible impact damage in laminated carbon fiber-reinforced plastic specimens. Several measurement systems have been integrated into the setup to allow comprehensive observation of the impact event and specimen behavior. A feasibility test was performed with biaxially prestressed carbon fiber-reinforced plastic specimens in comparison with unstressed reference tests. The compressive-tensile prestressing resulted in lower maximum contact forces, higher maximum deflections, higher residual deflections and a different damage pattern, which was investigated by light microscopic analysis. Finally, the functionality of the experimental setup is discussed, and the results seem to indicate that the test setup and parameters were properly chosen to investigate the effect of prestresses on the impacts behavior of composite structures, in particular for barely visible subsequent damages.
Review of elasto-static models for three-dimensional analysis of thick-walled anisotropic tubes
(2023)
Most shell or beam models of anisotropic tubes under bending have no validity for thick-walled structures. As a result, the need to develop three-dimensional formulations which allow a change in the stress, strain and displacement distributions across the radial component arises. Basic formulations on three-dimensional anisotropic elasticity were made either stressor displacement-based by Lekhnitskii or Stroh on plates. Lekhnitskii also was the first to expand these analytical formulations to tubes under various loading conditions. This paper presents a review of the stress and strain analysis of tube models using three-dimensional anisotropic elasticity. The focus lies on layered structures, like fiber-reinforced plastics, under various bending loads, although the basic formulations and models regarding axisymmetric loads are briefly discussed. One section is also dedicated to the determination of an equivalent bending stiffness of tubes.
The mechanical properties of additively manufactured plastic components, i. e. strength and stiffness, can limit their use as load-bearing structures. In particular, the use of continuous reinforcing fibers can significantly improve the mechanical properties of additively manufactured components and enable the production of load-bearing fiber composite structures. In this context, it seems reasonable to develop the required equipment and process workflows, but also procedures for the load-optimized positioning of fiber paths inside the component and its design. In this paper, the current challenges in the field of technology development of continuous-fiber reinforced 3D printing are highlighted. Possible solutions for the development of a 3D printing system and the generation of necessary toolpaths are presented on the basis of the FIBER-PRINT 3 project. Contents from a subsequent project present a design strategy for a load-optimized positioning of the continuous fiber reinforcement within the component and the implemented calculation of principal stress trajectories as a step towards optimization of the fiber positioning.
Although many composite structures are inconsistently curved, such as the leading edges of aircraft wings, the variety of research in impact engineering is almost limited to the impact performance of plates or cylindrically curved specimens. It is not known whether the findings obtained from standardized tests can be transferred to curved structures or which adaptions are required. Therefore, a deeper understanding of the deformation and damage behavior of inconsistently curved structures is essential to transfer the observed impact behavior of flat specimens to general curved structures and therefore to utilize the full lightweight potential of a load-specific design. An accurate description of the procedure as well as the results of the experimental and numerical study of the low-velocity impact behavior of differently single-curved elliptic specimens is presented. To close the research gap of the impact behavior of geometries with curvatures between the plates and simplified leading edges, novel specimens geometries have been derived from established impact test standards. Glassfiber-reinforced specimens are subjected to an instrumented impact test at constant impact energy. This is numerically investigated by a stacked-layer model, which used cohesive zone modeling to enable the simulation of matrix cracking, fiber fracture and delamination. The resulting projected damage areas, as well as the force and deflection histories, were evaluated and section cuts were examined to discuss the damage morphology, formation and propagation process. Significant effects on maximum deflection, compliance and dynamic behavior on the size and morphology of damage were found.
Additive Fertigung hat sich in zahlreichen industriellen Anwendungen etabliert und bildet eine wichtige Schlüsseltechnologie. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen, haben additiv gefertigte Bauteile aus Kunststoffen geringere Festigkeit und Steifigkeit, sodass sich ihre Verwendung als lasttragende Strukturen schwierig gestaltet. Insbesondere der Einsatz von endlosen Verstärkungsfasern kann die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Strukturen signifikant verbessern und die Fertigung hochbelastbarer Faserverbundstrukturen im 3D-Druckverfahren ermöglichen. Daher gilt es aktuell notwendige Anlagen und Prozessketten für den Fertigungsprozess aber auch Vorgehensweisen für die belastungsoptimierte Auslegung der Faserverläufe innerhalb des Bauteils zu entwickeln, um so das Themengebiet „Endlosfaserverstärkter 3D-Druck“ weiter voranzutreiben. Für mehr räumliche Freiheit bei der Positionierung der Druckbahnen können industrieroboterbasierte Systeme eingesetzt werden, um so das Potenzial gerichteter Bauweise von Faserverbundstrukturen auch im additiven Fertigungsprozess vollumfänglich ausschöpfen zu können. Dabei ermöglicht ihr Einsatz auch eine räumliche Ablage der Faserverstärkung, wobei für die Materialablage ein geeigneter 3D-Druckkopf erforderlich ist. Für die Implementierung der Faserverstärkung ist zudem eine dem Lastfall entsprechende Auslegung des Bauteils sowie die Ermittlung einer sinnvollen Faserpositionierung innerhalb des Bauteils erforderlich, wobei unterschiedliche Variablen aus den Bereichen Material, Struktur und Fertigungsprozess berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen des Vortrages werden die Herausforderungen der Technologieentwicklung des endlosfaserverstärkten 3D-Drucks aufgegriffen sowie auf eine belastungsorientierte Faserpositionierung näher eingegangen. Aktuelle Erkenntnisse werden diskutiert sowie eine Entwurfsmethodik für die Prozesspfadgenerierung vorgeschlagen.
Die Erforschung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) mit thermoplastischer Matrix ist aufgrund der Schweißeignung als Verbindungstechnologie, der thermischen Umformbarkeit, der Recyclebarkeit sowie der verkürzten Prozesszeiten im Vergleich zu den vorwiegend eingesetzten faserverstärkten Duroplasten erstrebenswert. Die Wechselwirkung zwischen den physikalischen, mechanischen und geometrischen Parametern erhöht den Komplexitätsgrad des Herstellungsprozesses. Ziel ist daher die Entwicklung einer Imprägniertechnik, die eine Fasertränkung mittels eines Thermoplastschmelzbades ermöglicht.
