Ausgangssituation

Zylindrische Schalen werden vielfach als Strukturelemente eingesetzt, unter anderem im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Aufgrund der Fortschritte in Herstellung und Bearbeitung wird hierbei in jüngerer Zeit vermehrt Faser-Kunststoff-Verbunden Vorzug vor herkömmlichen, metallischen, Werkstoffen gegeben. Dünnwandige Schalenelemente dieser Art zeigen unter kritischen Lastfällen, Biegung, Torsion und axiale Drucklast, ein Versagen durch Beulen, welches das schlagartige, totale Versagen der Gesamtstruktur nach sich ziehen kann. Die benannten Lastfälle treten in der Praxis für gewöhnlich nicht isoliert, sondern in variierenden Kombinationen auf. Derzeit existierende Bemessungsrichtlinien berücksichtigen die Interaktion der Lastarten auf unterschiedliche Weise, jedoch stets unter rein deterministischer Betrachtung. Ferner wurden sämtliche Auslegungsansätze, die diese Problematik behandeln, lediglich für metallische Zylinder aufgestellt.

Zielsetzung

Kernziel dieses Projekts ist die Bestimmung und Analyse der Traglastverteilung von orthotropen Zylinderschalen unter multiaxialer Belastung in Abhängigkeit der Lastkombination. Im Mittelpunkt steht hierbei insbesondere die Entwicklung einer probabilistischen Bemessungsmethode für multiaxial belastete Zylinderschalen. Zusätzlich werden die vermessenen geometrischen Imperfektionsmuster der Schalen nach Abschluss des Projekts in Form von Fourierkoeffizienten veröffentlicht. Letzteres trägt zur Erweiterung der bestehenden statistischen Datenbasis bei.

Vorgehen

In Kooperation mit dem Institut für Strukturmechanik im Leichtbau (ISML) werden eine Reihe von Zylinderschalen aus Kohlefaserverstärkem Kunststoff (CFK) sowie orthotrop versteifte 3D-gedruckte Zylinder getestet und das Verhalten der Beullast analysiert. Das PKT konzentriert sich hierbei auf die Untersuchung der CFK-Zylinderschalen. Zunächst werden die geometrischen Imperfektionen der unbeschädigten Schalen vermessen, bevor die Traglasten der Zylinder am Hexapodprüfstand unter verschiedenen kombinierten Lastfällen experimentell bestimmt werden. Die untersuchten Lastkombinationen sind axiale Drucklast und Torsion, axiale Drucklast und Biegung, sowie die Kombination aller drei Lastarten. Für die Versuche stehen 12 Zylinderschalen zur Verfügung, die bereits innerhalb des Projekts RADIUS untersucht wurden. Zusätzlich werden sechs neue Schalen mit nominell identischen Eigenschaften zu den kleineren, bereits existierenden Zylindern gefertigt. Die nominellen Spezifikationen der CFK-Zylinderschalen sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.

In FE-Simulationen werden für die getesteten Lastkombinationen ebenfalls die Beullasten bestimmt und mit den experimentellen Daten verglichen. Mithilfe probabilistischer Analysen auf Basis der gemessenen und verfügbaren Imperfektionsdaten werden die Traglastverteilungen für jeden untersuchten Lastfall ermittelt. Die simulativ gefundenen Verteilungen werden mit den Ergebnissen der Versuchsreihen hinsichtlich Übereinstimmung und Plausibilität verglichen. Abschließend soll aus den Ergebnissen aller Analysen ein Bemessungsprozess hergeleitet werden, mit dem sich für beliebige Lastkombinationen eine probabilistisch motivierte Entwurfslast bestimmen lässt.