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The influence of ionizing radiation on the mechanical properties of structural adhesive joints in space = Der Einfluss von ionisierender Strahlung auf die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Klebungen im Weltraum
2022
Dissertation, RWTH Aachen University, 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-04-07
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Der Einsatz von strukturellen Klebungen im Raumfahrtsektor hat in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Klebverbindungen bieten viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Fügetechniken wie Schweißen oder die Verwendung von mechanischen Verbindungselementen wie Schrauben, Bolzen und Nieten. Dennoch stellt die Weltraumumgebung eine große Herausforderung in Bezug auf die Alterung von Strukturklebstoffen dar. In den einschlägigen Handbüchern und Richtlinien zur Auslegung für Klebungen im Weltraum, fehlen Informationen über die Auswirkungen ionisierender Strahlung auf die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Klebstoffen. Vielmehr sind widersprüchliche Aussagen darüber zu finden, ob die Wirkung ionisierender Strahlung in einer frühen Entwurfsphase berücksichtigt werden sollte oder nicht. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Methodik entwickelt, welche die Berücksichtigung strahlungsinduzierter Degradation von strukturellen Epoxidklebstoffen für Raumfahrtanwendungen ermöglicht. Zu diesem Zweck werden Strahlungssimulationen für eine Vielzahl von Zielorbits durchgeführt, um die kumulierte ionisierende Strahlungsdosis zu ermitteln, der die Klebverbindung ausgesetzt ist. Mit Hilfe einer Simulation der Strahlungswechselwirkung wird die absorbierte Dosis für jede Position innerhalb der Klebstoffschicht bestimmt. Des Weiteren werden Bestrahlungsexperimente an Klebstoffproben für eine 20-jährige Mission in einer niedrigen Erdumlaufbahn durchgeführt. Für höhere Dosen, die einer 20-jährigen geostationären Mission entsprechen, werden Strahlungstests aus der Literatur verwendet. Ebenfalls wird ein neues analytisches Berechnungsschema zur Bestimmung der Steifigkeit von einschnittig überlappenden Klebungen entwickelt. Dieser Ansatz berücksichtigt die Verformung der Fügeteile normal zur Zugrichtung und ermöglicht parametrische Untersuchungen der strahleninduzierten Steifigkeitsdegradation von einschnittig überlappenden Klebungen. Die Methode wird mit experimentellen Tests und Finite Elemente Berechnungen validiert. Mit dem vorgeschlagenen Modell wird eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu bestehenden analytischen Ansätzen erreicht. Mit Hilfe des Kohäsionszonenmodells wird die Auswirkung ionisierender Strahlung auf die Festigkeit von einschnittig überlappenden Klebungen untersucht. Dabei werden die Kohäsivzonenparameter in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Dosis-Tiefen-Kurve degradiert. Mit diesem Ansatz wird erstmals eine einschnittig überlappende Klebung virtuell einem realen Strahlungsspektrum ausgesetzt, welches einem bestimmten Orbit entspricht. Die Analyse zeigt, dass bei Überlappungslängen unter 10 mm die ionisierende Strahlung einen Einfluss auf die Festigkeit der einschnittig überlappenden Klebung hat, der durch eine Vergrößerung der Überlappungslänge oder der Klebfugenbreite im Entwurfsprozess kompensiert werden könnte. Bei Überlappungslängen über 10 mm kann der Einfluss der ionisierenden Strahlung auf die Festigkeit vernachlässigt werden.The utilization of structural adhesives in the space sector has expanded significantly in recent years. Adhesively bonded joints offer many advantages compared to traditional joining techniques like welding, screws, bolts and rivets. Nevertheless, the space environment imposes a major challenge in terms of durability on structural adhesives. Existing handbooks and guidelines lack information regarding the effect of ionizing radiation on the mechanical properties of structural adhesive joints. In fact, there are contradicting statements, whether the effect of ionizing radiation should be considered in an early design phase or not. Therefore, in this thesis, a design framework is developed which enables the consideration of radiation induced degradation of structural epoxy adhesives for space applications. For this purpose, radiation simulations are conducted for a variety of target orbits to obtain the total ionizing dose that the adhesive joint is exposed to. Using radiation interaction simulation, the absorbed dose is determined for each position within the adhesive layer. Irradiation experiments of bulk adhesive specimens are conducted for a 20 year low earth orbit mission. For higher dose levels that represent 20 year geostationary missions, radiation damage test data from literature is considered. A novel analytical calculation scheme for determining the stiffness of single-lap joints is developed. This approach takes the out of plane deformation of the adherends into account and enables parametric investigations of radiation-induced stiffness degradation of single-lap joints. The method is validated with experimental tests and FE calculations. With the proposed model a significant improvement of the accuracy is achieved when compared to existing analytical approaches. Using the cohesive zone model, the effect of ionizing radiation on the strength of single-lap joints is evaluated. Here, the cohesive zone parameters are degraded depending on the previously determined dose-depth curve. With this approach, for the first time, a single-lap joint is virtually exposed to an actual radiation spectra that corresponds to a certain orbit. The analysis shows that for overlap lengths below 10 mm the ionizing radiation has an effect on the single-lap joint strength which could be compensated by increasing the overlap length or the joint width in the design process. For overlap lengths above 10 mm the effect of ionizing radiation can be neglected.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021448528
Interne Identnummern
RWTH-2022-06739
Datensatz-ID: 849342
Beteiligte Länder
Germany
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