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Titelaufnahme

Titel
Effects of defects and damage localization in carbon fiber reinforced polymer lightweight structures / submitted by Susanne Dorothee Nonn
AutorInnenNonn, Susanne Dorothee
Beurteiler / BeurteilerinSchagerl, Martin ; Pinter, Gerald
Betreuer / BetreuerinSchagerl, Martin
ErschienenLinz, 2018
Umfangx, 95 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2018
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Leichtbau / Schadenstoleranz / Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe / Fertigungsfehler / Schäden
Schlagwörter (EN)lightweight design / damage tolerance / carbon fiber-reinforced polymers / defects / damages
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-24676 Persistent Identifier (URN)
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Effects of defects and damage localization in carbon fiber reinforced polymer lightweight structures [24.79 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden wegen ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend in der Luftfahrt- und Automobilindustrie eingesetzt. Ihr hohes Verhältnis von Steifigkeit und Festigkeit zu Gewicht und die Möglichkeit die Kohlenstofffasern in Bauteilen lastpfadgerecht anzuordnen, ist vorteilhaft gegenüber herkömmlichen isotropen Werkstoffen. Allerdings können durch die Interaktion zwischen Kohlenstofffasern und Epoxidharzmatrix verschiedene Fertigungsfehler und komplexe Versagensmoden auftreten. Fertigungsfehler und Schäden sollten bereits in der Auslegungsphase berücksichtigt werden, da ansonsten Teile mit Fertigungsfehlern als Ausschuss deklariert werden müssen. Insbesondere die aktuelle Ermüdungsauslegung ist konservativ, beispielsweise das Safe Life Flaw Tolerant Design im Luftfahrtsektor. In dieser Dissertation werden verschiedene häufige Fertigungsfehler, die beim Hochdruck-Harzinjektionsverfahren von Non-Crimp Fabrics (NCF) auftreten, untersucht. Ihre statische Festigkeit und ihr Ermüdungsverhalten werden experimentell geprüft und mit numerischen Simulationen validiert. Die untersuchten Fertigungsfehler sind eine Faserwelligkeit in Dickenrichtung, eine Falte einer CFK-Lage in Faserrichtung und ein lokal komprimierter Bereich. Zug- und Druckversuche innerhalb der Laminatebene und Delaminationsversuche in Dickenrichtung wurden mit dafür am Institut entwickelten Versuchsvorrichtungen durchgeführt. Schadensinitiierung und -fortschritt werden mittels Dehnungsmessstreifen, Extensometern, digitaler Bildkorrelation (DIC) und optischen Kameras überwacht. Es zeigte sich, dass Faserwelligkeit die Drucklastfälle in Faserrichtung am stärksten beeinträchtigt. Statische Festigkeit und Ermüdungsfestigkeit sinken in Abhängigkeit des Defektwinkels. Die Falte in Faserrichtung ist normalerweise der Ort der Schadensinitiierung der Lastfälle innerhalb der Laminatebene. Der Einfluss auf die Festigkeit ist jedoch gering. Die Festigkeit in Dickenrichtung wird aber um 10% reduziert. Der lokal komprimierte Bereich wurde unter statischen und zyklischen Zuglastfällen getestet. Er beinhaltet Faserwelligkeit und matrixarme Bereiche, die zu höheren Festigkeitseinbußen von bis zu 36% führen. Neben den Effekten von Fertigungsfehlern wurde das Potenzial einer Structural Health Monitoring Methode für Schadenslokalisation in CFK-Strukturen experimentell und numerisch untersucht. Die direkte Widerstandsmessung von CFK wurde vorgeschlagen um Schäden zu detektieren und zu lokalisieren. Zuerst wurde die Widerstandsänderung des NCF Materials gemessen und Bohrungen erfolgreich detektiert. Anschließend wurde eine anisotrope CFK-Platte mit Kontaktelektroden ausgestattet und die Fähigkeit zur Schadenslokalisation konnte erfolgreich gezeigt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) are increasingly used in the aerospace and automotive industry due to their high lightweight potential. Their high stiffness and strength to weight ratio and the possibility of placing the carbon fiber reinforcement along the load paths of structures is advantageous in comparison to traditional isotropic materials. However, numerous different manufacturing defects and complex damage modes can occur due to the interaction between carbon fibers and epoxy resin. Defects and damages have to be considered also in the design stage, otherwise parts with defects have to be classified as rejects. Especially the current fatigue design is conservative, e.g. Safe Life Flaw Tolerant design in the aerospace sector. In this thesis, different common manufacturing defects of high-pressure resin transfer molded non-crimp fabrics (NCF) are investigated. Their static and fatigue behavior is experimentally examined and validated with numerical simulations. The defects are an out-of-plane fiber waviness, a fold in fiber direction and a locally compacted region. Inplane tension and compression tests and out-of-plane delamination tests are performed using in-house designed test rigs. Damage initiation and progression are monitored using strain gages, extensometers, digital image correlation (DIC) and cameras. It was found that the fiber waviness has the most detrimental effect on the compressive load cases in fiber direction. Static strength and fatigue life are accordingly decreased depending on the defect angle. The ply fold in fiber direction is usually the site of damage initiation for the in-plane load cases; however, the detrimental effect is minimal. Loaded in through-thickness direction, a knock-down of 10% was observed. The locally compacted region was tested under tension static and fatigue load cases. It inherits fiber waviness and resin starved areas leading to higher knock-down factors of up to 36 %. Beside the effects of defects, the potential of a Structural Health Monitoring method for damage localization in CFRP structures is experimentally and numerically evaluated. The direct resistance measurement of CFRP was proposed to detect and localize damages. First, the resistance change of the same NCF material was measured and drilled holes were successfully detected. Second, an anisotropic CFRP plate was equipped with electrodes and the potential for damage localization could successfully be demonstrated.

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