Dissertation

Sandwichstrukturen mit kohlenstofffaserverstärkten Deckschichten und Honigwabenkernen werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials zunehmend in der Luftfahrt eingesetzt. Sie bieten hervorragende gewichtsspezifische Steifigkeiten und Festigkeiten, sind jedoch empfindlich gegenüber Schlagbelastungen senkrecht zur Struktur. Schlagschäden sind dabei oft von außen nicht sichtbar, können aber die Resttragfähigkeit signifikant beeinträchtigen. Für die luftfahrttechnische Zulassung müssen daher Schadenstoleranzeigenschaften nachgewiesen werden – bislang primär durch aufwendige, kostenintensive experimentelle Versuche an unbelasteten Proben.

Die vorliegende Dissertation untersucht systematisch den Einfluss statischer Druckvorlasten auf das Schlagschädigungsverhalten solcher Sandwichstrukturen. Ziel ist es, ein realistisches Bild des Bauteilverhaltens unter einsatznahen Bedingungen zu erhalten, da in realen Anwendungen – selbst im Ruhezustand – bereits strukturelle Vorlasten vorhanden sind.

Ein zentraler Bestandteil der Arbeit ist die Entwicklung und Validierung eines detaillierten Simulationsverfahrens, das die Deckschicht- und Kernbestandteile explizit abbildet und auf experimentell bestimmten Materialkennwerten basiert. Für die Kalibrierung und Validierung werden umfangreiche mechanische Versuche (Zug, Druck, Schub) an den Einzelmaterialien sowie Schlagversuche unter Druckvorlasten durchgeführt. Eine neu entwickelte Versuchsvorrichtung ermöglicht die kontrollierte Einbringung statischer Vorlasten und anschließender Schlagschädigung.

Die Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Druckvorlasten das Schadensverhalten deutlich beeinflussen – insbesondere im Bereich niedriger Schlagenergien. Die Art und Ausbreitung der Schädigung sowie die Resttragfähigkeit hängen stark von der Vorlast ab. Die erarbeitete Simulationsmethodik bildet diese Effekte realitätsnah ab und erlaubt eine detaillierte Analyse der lokalen Schadensmechanismen. So lassen sich gezielt Einflüsse von Strukturparametern wie Lagenanzahl, Zellweite oder Kerndichte untersuchen.

Die Arbeit liefert damit einen wichtigen Beitrag zur schadenstoleranten Auslegung von Sandwichbauteilen. Sie zeigt auf, dass strukturelle Druckvorlasten in der Auslegung künftig mitberücksichtigt werden müssen – sowohl im experimentellen Nachweisverfahren als auch in numerischen Simulationen – um die Sicherheit und Effizienz moderner Luftfahrzeugstrukturen weiter zu verbessern.