Numerische Simulation der mechanischen Eigenschaften von Faltkern-Sandwichstrukturen

Sandwichstrukturen bieten aufgrund ihres dreischichtigen Aufbaus eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gewicht. Sie sind daher eine interessante Alternative zu monolithischen Strukturen oder versteiften dünnwandigen Strukturen. Ein besonders hohes Leichtbaupotential wird bei der Verwendung von Faserverbund-Deckschichten und zellulären Kernen erreicht. Als Beispiel sind hier kohlenstofffaserverstärkte Werkstoffe als Deckschichtmaterial und Honigwaben als Kernwerkstoff zu nennen.
Honigwaben zeichnen sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften aus, ihre Nachteile liegen in der kostenintensiven Fertigung und in ihrer geschlossenzelligen Struktur. Mit den Faltkernen ist ein neuartiges Sandwichkernmaterial in der Entwicklung, welches gute mechanische Eigenschaften mit einer kostengünstigen Fertigung kombiniert.
Beim Faltkern handelt es sich um einen zellulären Sandwichkern, der durch Faltung eines ebenen Halbzeugs entsteht. Der Ansatz ist, durch die zelluläre Struktur ein hohes Leichtbaupotential zu erreichen und durch den Herstellungsprozess gleichzeitig eine kostengünstige Fertigung zu ermöglichen. Darüber hinaus zeichnen sich Faltkerne durch eine hohe Flexibilität in der Geometrie und in der Wahl des Grundwerkstoffs aus.
In dieser Arbeit werden Faltkerne mit verschiedenen Einheitszellengeometrien und aus verschiedenen Materialien experimentell und numerisch untersucht. Die Halbzeuge sind Aramidpapier, Reinaluminium und PEEK. Ziel der Untersuchungen ist es, eine Methodik zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von Faltkernen zu entwickeln.
Die experimentellen Untersuchungen beinhalten Versuche mit den Grundwerkstoffen zur Gewinnung von Materialdaten für die später durchgeführten Simulationen. Die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge werden mittels Zug-, Druck-, Schub- und Biegeversuchen ermittelt. Die gewonnenen Daten werden in Materialmodelle zum späteren Einsatz in FE-Rechnungen umgesetzt. Für die Werkstoffe PEEK und Reinaluminium können Standard-Materialmodelle verwendet werden. Für Aramidpapier hingegen wird eigens ein Materialmodell erarbeitet, das alle benötigten Materialeigenschaften abbilden kann.
An die experimentellen Untersuchungen der Halbzeuge schließen sich die experimentellen Untersuchungen der Faltkerne an. Die Charakterisierung der Faltkerne wird mit Druck- und Schubversuchen durchgeführt, da diese typischerweise zur Charakterisierung von Sandwichkernwerkstoffen eingesetzt werden. In diesen Versuchen werden die Drucksteifigkeit und die Schubsteifigkeit des Faltkerns, sowie die Druckfestigkeit und die Schubfestigkeit des Faltkerns ermittelt. Diese Daten dienen später zur Validierung der numerischen Ergebnisse.
In numerischen Voruntersuchungen werden die Einflüsse auf das mechanische Verhalten der Faltkerne untersucht. Dazu gehören geometrische Imperfektionen, die sich bei einer dünnwandigen Struktur auf die Steifigkeit und die Festigkeit auswirken. Außerdem werden die Faltkanten und der Einfluss der Prägung und des Faltvorgangs untersucht. Auch die Anbindung des Kerns an die Deckschicht wird betrachtet und es wird eine vereinfachte Methode zur Modellierung der Verklebung ausgearbeitet.
Die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Untersuchungen werden verwendet um eine Modellierungsmethodik zu erarbeiten, die eine realitätsnahe Simulation von Faltkernen mit der Finite-Elemente-Methode ermöglicht. Zur Validierung der Methodik werden die Druck- und Schubversuche an den verschiedenen Faltkernen nachgerechnet. Die Simulationsergebnisse werden mit den Versuchsdaten verglichen. Es ergibt sich eine gute Übereinstimmung, die Methodik ist in der Lage das mechanische Verhalten von Faltkernen realitätsnah abzubilden.