Robuster Entwurf beulgefährdeter, unversteifter Kreiszylinderschalen aus Faserverbundwerkstoff

Hühne, Christian

Mit der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen aus unidirektionalen Schichten stehen dem Entwurfsingenieur mit den Faserorientierungen eine große Anzahl zusätzlicher Entwurfs­parameter zur Verfügung, mit denen das Strukturverhalten der axial belasteten Kreis­zylinderschale gezielt beeinflusst werden kann. Bisher wird die Beullast der perfekten Schale durch Variation der Faser­orien­tierungen bei ansonsten identischer Geometrie maximiert. Geome­trische Imperfektionen und Lastimperfektionen sind als Abweichungen von der idealen Geometrie und Lastverteilung definiert und können die Traglast dünner Schalen drastisch reduzieren. Bisherige Methoden zur Berücksichtigung des Imperfektionseinflusses von axial gedrückten Zylinderschalen sind entweder extrem konservativ, oder sie benötigen Annahmen über die Form und die Amplitude der real vorhandenen Imperfektionen. Diese jedoch stehen zum Zeitpunkt des Entwerfens nicht zur Verfügung. Die Ermittlung und Standardisierung herstellungsbedingter Imperfektionen ist extrem aufwändig. Darüber hinaus liegen häufig nicht genügend Eingangsdaten für eine stochastische Auswertung vor. Ziel der Arbeit ist ein neues deterministisches, physikalisch basiertes Bemessungs­lastkonzept, mit dem eine sichere untere Grenze der möglichen Beullasten bestimmt wird und das zu einer wesentlichen Verbes­serung gegenüber den bestehenden Methoden führen soll. In dem zugehörigen Entwurfs­konzept wird der optimale Entwurf der realen, imperfekten Schale durch Maximierung der neuen Bemessungs­last in Abhängigkeit der Faserorientierungen ermittelt.

Using laminated fiber composites, the developing engineer has a great number of additional design parameters to tailor the structural behaviour by variation of fiber orientations and stacking sequence. So far, the buckling load of the perfect shell has been maximised by variation of these fibre orientations with otherwise given geometry. Geometric and loading imperfections are defined as deviations from perfect shape and perfect load distributions, which can reduce the buckling load of thin-walled shells drastically, compared to that of the perfect shell. Previous methods to recognize the influence of imperfections of axially compressed cylindrical shells are either extremely conservative or pattern and amplitude of imperfections have to be assumed. Generally, these imperfections are unknown in the design phase. Measurement and standardization of imperfections caused by the manufacturing process are very difficult, and often there are not enough input data available to conduct a stochastical analysis. Aim of this thesis is a new deterministic, physical based concept to determine the load carrying capability as a lower bound of the possible buckling loads. The determined load carrying capability is a substantial improvement compared to the existing methods. In the dedicated design concept the optimum design of the real, imperfect shell is determined by maximizing the new load carrying capability depending on fiber orientations.

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Hühne, Christian: Robuster Entwurf beulgefährdeter, unversteifter Kreiszylinderschalen aus Faserverbundwerkstoff. 2005.

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