ISBN 978-3-8439-4723-7

978-3-8439-4723-7, Reihe Luftfahrt

Fabian Muhs
Entwicklung eines numerischen Tools zur FE-basierten Auslegung und Optimierung von Faltkernen

235 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2020), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Im konstruktiven Leichtbau, insbesondere in der Luftfahrt, sind Sandwichmaterialien weit verbreitet, da sie die Anforderungen einer geringen Masse in Verbindung mit hohen mechanischen Eigenschaften ausgezeichnet erfüllen. Faltkerne gehören zur Gruppe der zellulären Kernmaterialien und werden aus einem ebenen Halbzeug durch isometrische Faltung hergestellt. Durch den Faltungsprozess kann eine kostengünstige kontinuierliche Fertigung realisiert werden, welche das Design von offenen Kernstrukturen zur Abführung von Feuchtigkeit ermöglicht. Neben der Vielfalt an Werkstoffen bieten Faltkerne auch in der geometrischen Auslegung der Einheitszelle eine nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit. Dies bietet das Potenzial, die geometrische Gestalt des Kerns gezielt auf den jeweiligen Lastfall auszulegen, erfordert aber das Wissen bzw. die Evaluierung der mechanischen Eigenschaften der Faltkerne. Dieses Wissen kann, aufgrund der großen Anzahl verfügbarer Designs, nicht in einer realen Testkampagne generiert werden und macht den Einsatz numerischer Auslegungsmethoden unumgänglich. Ausgehend von dieser Problemstellung wird eine numerische Prozesskette entwickelt, welche in einem vollautomatisierten Prozess die mechanischen Eigenschaften von Faltkernen basierend auf einer FEM Analyse evaluiert. Als Grundlage wird eine Nomenklatur für Faltkerne vorgeschlagen, welche die Anforderungen an eine strukturierte Beschreibung von bereits bekannten Faltkerndesigns sowie die Auslegung von neuartigen Zellen ermöglicht. Zur Validierung der entwickelten Nomenklatur und deren Anwendbarkeit in der Fertigung werden Sandwichprüfkörper aus einer PET Folie gefertigt. Diese Prüfkörper werden in Druck- und Schubversuchen geprüft und bilden die Grundlage zur Entwicklung und Validierung der numerischen Prozesskette. Anhand von Fallstudien wird die Funktionsweise der entwickelten Methodik demonstriert, welche in der Lage ist, Faltkerne mit spezifischen mechanischen Eigenschaften auszulegen.