Rechnerische Bewertung von Schäden in Platten durch Schlag

Kalapis, Stephan Klaus; Schagerl, Martin; Schröder, Kai-Uwe

doi:10.18154/RWTH-2025-01080

Rechnerische Bewertung von Schäden in Platten durch Schlag = Computational assessment of damage in plates due to impact = Rechnerische Bewertung von Schlagschäden in Platten

Kalapis, Stephan Klaus^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeStephan Kalapis

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9778-8

ReiheAachener Berichte aus dem Leichtbau ; 2024,2

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Abweichender Titel auf der Dissertationstitelseite

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Schagerl, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01080
DOI: 10.2370/9783844098730
10.2370/9783844098730
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1003504/files/1003504.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (415610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Delamination (frei) ; Schaden (frei) ; Schlag (frei) ; Stoß (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Platten werden im Ingenieurwesen zur Konstruktion großflächiger Bauteile verwendet und zeichnen sich durch eine relativ geringe Dicke im Verhältnis zur Breite und Länge ihrer Geometrie aus. Aufgrund ihres vorteilhaften Masse-Steifigkeit-Verhältnisses werden sie in vielen technischen Bereichen eingesetzt, z. B. im Flugzeug- und Raketenbau. Platten sind jedoch anfällig für Stoßbelastungen senkrecht zur Plattenebene. Diese Stöße können lokale Schäden verursachen und somit die Steifigkeit der Platte verringern. Infolgedessen ist die strukturelle Zuverlässigkeit der gesamten Platte und damit des gesamten Bauteils beeinträchtigt. In dieser Dissertation wird eine Methodik zur rechnerischen Bewertung eines Stoßes auf Faserverbundplatten vorgestellt, einhergehend mit der Berechnung von Kontaktkräften zwischen Impaktor und Platte sowie der Vorhersage einer möglichen Schadensinitiierung. Die Materialwahl, die Abmessungen der rechteckigen Platte und die Randbedingungen sind frei wählbar. Unter Verwendung der Reissner-Mindlin-Plattentheorie werden die als Federn abstrahierten Plattensteifigkeiten berechnet und in einem Feder-Masse-Modell genutzt. Anhand eines Schadensmodells wird das Vorliegen eines Schadens geprüft. Anhand eines realen Schadenszenarios aus dem Flugzeugbau wird mit Hilfe des zuvor erarbeiteten Modells der Stoß eines herabfallenden Werkzeugs auf eine stringerversteifte Platte modelliert. Auf der Grundlage einer umfassenden Parameterstudie wird die Schadensanfälligkeit dieser Platte für Delamination unter verschiedenen Szenarien bewertet. Mit Hilfe eines probabilistischen Ansatzes wird gezeigt, dass die Strukturmasse des Flugzeugs signifikant verringert werden kann, ohne dass die Schadensanfälligkeit durch herabfallende Werkzeuge in gleichem Maße zunimmt.

Plates are used in engineering for the construction of large-scale components and are characterized by a relatively small thickness compared to the width and length of their geometry. Due to their advantageous mass-to-stiffness ratio, they are employed in many technical fields, such as aircraft and rocket construction. However, plates are susceptible to impact loads perpendicular to the plane of the plate. These impacts can cause local damage and thus reduce the stiffness of the plate. As a result, the structural reliability of the entire plate - and therefore of the entire component - is compromised. This dissertation presents a methodology for the computational evaluation of an impact on fiber composite plates, including the calculation of contact forces between the impactor and the plate as well as the prediction of possible damage initiation. The choice of material, the dimensions of the rectangular plate, and the boundary conditions are freely selectable. Using the Reissner-Mindlin plate theory, the plate stiffnesses - abstracted as springs - are calculated and utilized in a spring-mass model. A damage model is employed to assess the presence of damage. Based on a real damage scenario from aircraft construction, the impact of a falling tool on a stringer-reinforced plate is modeled using the previously developed model. A comprehensive parameter study is then used to evaluate the susceptibility of this plate to delamination under various scenarios. A probabilistic approach demonstrates that the structural mass of the aircraft can be significantly reduced without a corresponding increase in the susceptibility to damage from falling tools.

OpenAccess:
PDF
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