Schlussbericht Verbundvorhaben PROVING - Entwicklung und Verifikation probabilistischer Materialmodelle für Out-of-Autoclave Faserkunststoffverbunde in der fertigungstechnischen Auslegung und Nachweisführung von Luftfahrtkomponenten

Abstract

Das Verbundvorhaben PROVING (Entwicklungs- und zulassungsbegleitende Nachweisführung für Luftfahrt-komponenten aus generativen Fertigungsverfahren) zielt auf die Entwicklung, Validierung und Verifizierung einer verschlankten, robusten Nachweis- und Zulassungsmethodik für generativ/additiv Luftfahrt-Strukturkomponenten ab. Das Teilvorhaben der TUB beinhaltet dabei die Entwicklung und Verifikation probabilistischer Materialmodelle für Out-of-Autoclave Faserkunststoffverbunde. In HAP 1 wurden die Lastannahmen, Lagenaufbauten und CAD-Modelle der in PROVING untersuchten repräsentativen Strukturkomponenten (Außenflügels inkl. Holm) definiert. In HAP 2 wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern ein Zertifizierungsprogramm erarbeitet, welches die klassische Pyramidenstruktur für die Zertifizierung aus der AMC 20-29 und den Vorschlägen aus der CM-S-014 zur mehr M&S basierten Zertifizierung aufgreift und um statistische Untersuchungen von der Coupon bis zu Komponentenebene erweitert. Wichtige Neuerungen des Zertifizierungsprogramms sind dabei die Erweiterung der statistischen Basis mittels Rechnungen auf Coupon und Elementebene, die Anwendung der statistischen Kennwerte über alle Ebenen der Testpyramide, die Verringerung des physischen Testaufwandes durch Erhöhung des Berechnungsaufwandes und die Verwendung von fortschrittlichen Materialmodellen. In HAP 3 wurden die an der TUB verwendeten mikromechanischen Materialmodelle erfolgreich weiterentwickelt, um somit eine verbesserte Abbildung des progressiven Schädigungsverhaltens (z.B. progressives Schädigung der Matrix, Abbildung Lastumlagerungen und Degradation der Einzelschicht) zu erreichen. Mit diesen Materialmodellen wurde probabilistischen Methoden auf Basis der Monte-Carlo-Simulation entwickelt und validiert. Es konnte gezeigt werden, wie material- und fertigungsbedingte Streuungen in der Zertifizierungsstrategie berücksichtigt werden können, um somit den experimentellen Aufwand durch virtuelle Prüfungen auf Coupon- und Elementebene zu reduzieren. Durch die Anwendung fortschrittlicher Materialmodelle und probabilistischer Ansätze konnte gezeigt werden, wie die Aussagekraft von analytischen und numerischen Berechnungen erhöht werden kann, um Kosten und Zeit in der Zulassung zu sparen und die gesamte Zulassungsmethodik zu verschlanken. In HAP 4 war die TUB anteilig an der Fertigung der benötigten Proben für die Ringversuche beteiligt (z.B. Coupon-Proben, Multidirektionale Laminate, Open-Hole-Zugproben, Strukturkleberproben). In HAP 5 wurden die gefertigten Proben auf Coupon- und Elementebene getestet, um Materialkennwerte sowie deren Schwankungen zu bestimmen. Zusätzlich wurde der Einfluss von Aushärtetemperatur und Laminataufbau auf den resultierenden Spring-In in der Fertigung experimentell bestimmt. In HAP 6 erfolgte die Dokumentation der Validierung der Materialmodelle und probabilistischen Methode. Dazu gehört auch die Anfertigung von Musterdokumenten, die für die in PROVING entwickelte Zertifizierungsstrategie notwendig sind, wie Simulations- und Testpläne, Dokumente zur Qualitätssicherung und Dokumente zum Fertigungsplan.