Untersuchung des Impactverhaltens von Faserverbundstrukturen unter ebener, biaxialer Vorspannung - UnIVo

Aus Leichtbauaspekten werden in der Luftfahrt vermehrt Faserverbundkunststoffe (FVK) für Strukturbauteile eingesetzt. Diese zeichnen sich durch hohe dichtespezifische mechanische Festigkeiten und Steifigkeiten aus und unterliegen im Einsatz verschiedenen Belastungen. Dabei sind besonders Schlagstoß- bzw. Impactschäden als kritisch einzustufen, welche die mechanische Belastbarkeit der Struktur signifikant reduzieren, jedoch durch visuelle Inspektion oft nicht zu detektieren sind. Ein solcher, kaum sichtbarer bis gänzlich unsichtbarer Schaden wird als BVID (Barely Visible Impact Damage) bezeichnet. BVIDs können beispielsweise durch Vogel-, Hagel- und Steinschlag oder auch durch fallengelassenes Werkzeug bei Wartungsarbeiten hervorgerufen werden. Der dabei hervorgerufene Schaden prägt sich im Inneren der Struktur aus und wird in Versagen innerhalb der jeweiligen Laminatschicht und Schäden zwischen den Laminatschichten kategorisiert. Besonders der zweite Versagenstyp, auch als Delamination bezeichnet, kann sicherheitskritisch für eine Struktur werden, da dieser die lokale Biegesteifigkeit, Druckfestigkeit und Schwingfestigkeit der Struktur deutlich reduzieren kann.

Um den Einfluss von Impactschäden abzuschätzen und bei der Auslegung von Strukturen verlässliche Sicherheiten einplanen zu können, wird ein solches Schadensereignis über normierte Prüfvorgehen simuliert. Dabei werden Probekörperplatten mittels eines transversalen Impacts definiert vorgeschädigt und die Restdruckfestigkeit nach einer solchen Schlagbeanspruchung über CAI (Compression After Impact)-Versuche ermittelt. In den Versuchen gänzlich unberücksichtigt bleibt jedoch, dass in impactgefährdeten, lasttragenden Bauteilen während einer entsprechenden Schlagbeanspruchung zumeist bereits multiaxiale Spannungszustände vorliegen. Diese ergeben sich bei Flugzeugstrukturen zum Beispiel aus den strukturellen und/oder aeroelastischen Beanspruchungen. Dass solche Vorbelastungen Einfluss auf das Schadensverhalten und -ausmaß besitzen, konnte in verschiedenen Arbeiten und Veröffentlichungen bereits grundlegend nachgewiesen werden. Jedoch bleibt aktuell die Frage offen, welchen Einfluss und welche Einflussgröße verschiedene Lastkombinationen, insbesondere biaxiale Lastzustände, auf ein Impactereignis und den zurückbleibenden Schaden nehmen. Solche Informationen werden jedoch für eine möglichst realitätsnahe Dimensionierung vorbelasteter Bauteilstrukturen zwingen benötigt.

Im Rahmen des Projekts UnIVo soll genau dieser Frage nachgegangen werden. Dazu soll das Impactverhalten von Faserverbundwerkstoffen unter ebenen, biaxialen Vorbelastungen untersucht werden. Der Fokus der Arbeiten liegt auf Impactlasten im Niedergeschwindigkeitsbereich und Strukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Impactlasten im Niedergeschwindigkeitsbereich oder Low-Velocity-Impacts verursachen häufig Schädigungen der Kategorie BVID und sind aufgrund der möglichen Unentdeckbarkeit des Schadens besonders sicherheitskritisch. CFK wird aufgrund der hohen mechanischen Belastbarkeit für lasttragende Strukturen eingesetzt und die angesprochene, präzise Einschätzung des Schadensausmaßes bei Impactbelastung ist für eine zuverlässigere Auslegung und Bewertung der Struktur unabdingbar. Im Rahmen des Projekts soll die Auswirkung von Vorspannungen auf das Impactverhalten abschließend über Kennzahlen bewertbar gemacht werden. Dazu sollen Impactversuche unter einer Kombination verschiedener Lastzustände erfolgen. Die Bewertung der Schadensschwere in den Impactversuchen erfolgt in erster Linie über die im Ultraschallverfahren ermittelten Schadensprojektionsflächen sowie der während des Schädigungsvorgangs absorbierten Energien.