Maschinenbau (Fach) / Faserverbundwerkstoffe (Lektion)

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Kurzfragen "Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen", FH Kiel

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  • Was kennzeichnet einen ausgeglichenen Winkelverbund, wie wird er hergestellt? gerade Anzahl von Schichten paarweise Zuordnung der Schichten -  gleich große Winkel mit entgegengesetzten Vorzeichen -  gleiche Schichtdicken, Fasertypen, Faservolumenanteile Ausgeglichene Winkelverbunde entstehen bei der Ablage von Rovings in der Faserwickeltechnik
  • Wie ist ein Flugzeugbaulaminat aufgebaut, welche Eigenschaften hat es? Schichtaufbau: 0/±45/90    - vier Schichtrichtungen    - +45° und -45° Schichten sind immer gleich dick zwei Symmetrieebenen    - keine Dehnungs-Schiebungs-Kopplung bei Belastung in Richtung der Symmetrieachsen    - als Scheibe orthotrop bei mittensymmetrischer Schichtung keine Scheibe-Platte-Kopplung    - dritte Symmetrieebene gut geeignet für wechselnde Lastrichtungen    - jede Lastkombination (Normalkräfte in zwei Richtungen und Schubkräfte) wird überwiegend durch Fasern aufgenommen    - man kann "wenig falsch machen" höchste Lochleibungsfestigkeit    - im Vergleich zu anderen Laminattypen einfach zu fertigen    - da nur vier Winkelrichtungen    - fertige Prepregs mit 0°, ±45°, 90° Richtungen Scheibenbelastung    - Anpassung an die Belastung durch unterschiedlich dicke Schichten in den verschiedenen Richtungen    - z.B. bei einem Mast: 0° Schichten deutlich dicker als ±45° und 90° Schichten    - beide 45° Schichten immer gleich dick, damit Laminat symmetrisch und orthotrop bleibt Plattenbelastung    - z.B. Biegebelastung berücksichtigen durch Schichtreihenfolge    - Fasern der Außenschichten in Richtung der Biegespannungen
  • Welche Vorteile hat ein Flugzeugbaulaminat? gut geeignet für wechselnde Lastrichtungen – jede Lastkombination (Normalkräfte in zwei Richtungen und Schubkräfte) wird überwiegend durch Fasern aufgenommen – man kann „wenig falsch machen“ höchste Lochleibungsfestigkeit – im Vergleich zu anderen Laminattypen einfach zu fertigen – da nur vier Winkelrichtungen – fertige Prepregs mit 0°, ±45° und 90° Richtungen
  • Warum spricht man von einem „gutmütigen Versagen“ bei Faserverbundwerkstoffen, obwohl die Matrix und die Fasern beide spröde Werkstoffe sind? ab etwa 50 % der Bruchlast reißen erste Filamente, dann ganze Faserbündel quasi-duktiles Versagen gut hörbar ("Knistergrenze") besenförmiges Abstehen von gebrochenen Einzelfasern
  • Wieso wird zwischen Spannungen und Beanspruchungen bei Faserverbundwerkstoffen unterschieden? Anisotropie führt zu unterschiedlichen Festigkeiten Spannung gemäß Raumrichtungen Beanspruchung gemäß Richtung der Fasern (längs, quer)
  • Warum sind die berechneten Festigkeiten meist größer als die gemessenen Festigkeiten? Vorschädigungen – u.a. bei der Verarbeitung – kritisch besonders hochmodul C-Fasern ungleichmäßiges Tragen – unterschiedliche Ausrichtungen – unterschiedliche Vorspannungen Festigkeitsstreuung – der Einzelfilamente
  • Durch welche Maßnahmen wird die Druckfestigkeit in Faserlängsrichtung erhöht? Statt Gewebe besser UD-Schichten Prepregs besser als Handauflegeverfahren Fertigung mit Zugspannung in den Fasern -       Wickelverfahren -       Pultrusionsverfahren -       Faser vorspannen, z.B. Beim Verwenden von Aluformen, die sich bei Temperaturerhöhung im Gegensatz zu Kohlefasern ausdehnen
  • Durch welche Maßnahmen wird die Zugfestigkeit in Faserlängsrichtung erhöht? Faservolumenanteil erhöhen -       max. φ = 0,65 -       bei schwingender Belastung besser φ = 0,5, da kleinere Kerbwirkung eines Faserbruchs auf seine Nachbarfaser Bruchdehnung der Matrix -       doppelt so groß wie die Bruchdehnung der Faser
  • Erläutern Sie den Begriff „Kink Zone“, wie entsteht sie? Kink Zonen sind Bereiche bei denen die gerichteten Fasern durch eine Falsche Beanspruchung ausknicken. Der Bereich in denen die Fasern eine andere Richtung als die ursprüngliche Faserrichtung annimmt nennt man Kink Zone.
  • Was bedeutet Schubknicken in Laminatebene und aus der Laminatebene heraus? Skizzieren Sie beide Arten des Schubknickens. [?] in Laminatebene: ursprüngliche Ebene bleibt gleich -^- aus der Laminatebene heraus: Ebene verschiebt sich -^_
  • Beschreiben Sie die Begriffe Bruchebene und Wirkebene an dem Beispiel einer Druckbelastung senkrecht zu den Fasern einer UD-Schicht. Bruchebene (fracture plane) -       Ebene in der der Bruch stattfindet Wirkebene (action plane) -       Ebene, in der eine einzeln wirkende Beanspruchung maximal wird Bruch- und Wirkebenen müssen nicht identisch sein Bsp: Beanspruchung durch Querdruck verursacht Schubspannnung unter 53° [=> Wirkebene quer zu Belastung; Bruchebene 53°]
  • Was ist der Unterschied zwischen Faserbruch und Zwischenfaserbruch? Faserbruch: Ist ein Totalversagen der Faser in einer UD-Schicht -       Bei Faser paralleler Beanspruchung -       Zug oder Druck Zwischenfaserbruch: Ist ein Riss in der Matrix (Kohäsionsversagen) oder auch ein Riss in der Grenzfläche (Adhäsionsversagen) -       Matrixbruch -       Grenzflächenbruch (Faser-Matrix)
  • Wofür sind Borde bei einer Schlaufenverbindung erforderlich? Stützen durch seitliche Borde verhindert frühzeitiges Versagen
  • Was ist eine Delamination und wodurch kann sie entstehen? Delamination: Ablösen der Laminatschichten Kann durch interlaminare Spannungen entstehen -   Normalspannungen -   Interlaminare Schubspannungen (ILS) durch    -   Querkräfte    -   Zwischenfaserbrüche in 90°-Schichten    -   Schlagbelastungen    -   Randspannungen Versagen ohne Rissstopeffekt, schlagartiges Ausbreiten über große Flächen
  • Erläutern Sie den Begriff „Knie“ in einem Mehrschichtverbund. Linearer Anstieg der Spannungen bis erste Zwischenfaserbrüche in der 90° Schicht auftreten ·         Erste Risse durch Querzugbelastung ·         Weitere Risse bis Rissabstand zu klein zum Aufbau ausreichen hoher Spannungen Steifigkeitsverlust ab „Knistergrenze“ ·         Anstieg der Spannung mit kleinerer Steigung ·         Degressiver Verlauf mit Zunahme der Risse Totalversagen erst durch Faserbruch in 0°-Schichten
  • Was bedeuten die Abkürzungen? Zeichnen Sie die Abkürzungen in ein Spannungs-Dehnungsdiagramm ein. (FPF, DLF) First Ply Failure (Punkt, an dem bei Querbelastung erste Schäden im Laminat auftreten) Degraded Laminate Failure (Bruch?) Belastung in Faserrichtung: FPF = DLF, senkrecht DLF > FPF SD-Diagramm: FPF bei Abknicken der hooke'schen Gerade (Y_eps,t|Y_t), DLF bei Bruch (Y_eps,t,U|Y_t,U)
  • Von welchen zwei Einflussgrößen ist die Längsdruckfestigkeit abhängig und wie kann sie verbessert werden? Abhängig von: Faser-Fehlorientierung Schubsteifigkeit der Matrix Verbessern durch: statt Gewebe besser UD-Schichten Prepregs besser als Handauflegeverfahren Fertigung mit Zugspannung in den Fasern
  • Wie kann die Druckfestigkeit eines UD-Laminates erhöht werden? Fertigung (Fasern straff in Belastungsrichtung orientieren) keine textilen Konstruktionen Bauteilränder besser abrunden Löcher vermeiden keine Druckbelastung an Stirnseiten Durchmesser der Fasern erhöhen Matrixsteifigkeit erhöhen Faser-Matrix-Haftung verbessern Faservolumengehalt nicht zu groß 
  • Wie kann die Gefahr von Delaminationen verringert werden? Risswiderstand zwischen den Schichten erhöhen: Zähmodifizierte Matrix, zähe Thermoplastzwischenschichten Verstärkungen in Laminatrichtung: 3D-Gelege, vernähen, z-Pins, UD-CFK Stäbchen einstechen
  • Kennzeichnen Sie die Bruch- und Wirkebenen bei einer Belastung durch quer-quer Schub. Bruchebenen quer, Wirkebenen gerade
  • Wie viel größer werden die lokalen Spannungen bei Löchern in quasi-isotropen Laminaten, die durch Normal- bzw. Schubspannungen in Laminatebene belastet werden? - Normalspannungen - Schubspannungen Faktor 3 und mehr
  • Wann wird der „Bruchwiderstand der Wirkebene“ unendlich groß? Bei Belastung mit Querdruck. Wirkebene und Bruchebene fallen nicht zusammen. Nicht Druck- sondern Schubversagen.
  • Skizieren Sie einen Keilbruch Bruchflächen gleiten aufeinander ab, Mehrschichtverbund wird gesprengt, abhängig von Stützwirkung der Nachbarschichten (in der Mitte gebrochene Längsfasern, nach außen verschoben und gestutzt von Querfaserschichten oben und unten)
  • Beschreiben Sie die Begriffe Bruchebene und Wirkebene an dem Beispiel einer Druckbelastung senkrecht zu den Fasern einer UD-Schicht. Wirkebene normal zur Kraftrichtung, Bruchebene liegt schräg dazu (Abgleiten) mit ca. 53°
  • Nennen Sie drei Bruchkriterien ohne Berücksichtigung der Bruchart. Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffmann
  • Nennen Sie vier Bruchkriterien mit Berücksichtigung der Bruchart. Welche davon sind interaktiv und welche nicht? Nicht interaktiv = ohne Berücksichtigung von Interaktionen zwischen Spannungen und Dehnungen: Max Strain, Max Stress;  Interaktiv = mit Berücksichtigung von Interaktionen zwischen Spannung und Dehnungen: Hashin, Puck
  • Unter welchen Winkeln bricht jeweils eine UD-Schicht bei - Querdruckbelastung und bei - Quer-Parallel Schubbelastung? Querdruck: 52-53° Quer-Parallel-Schub: 45°
  • Was bedeutet „Berücksichtigung von Interaktionen zwischen Spannungen“ bei Bruchkriterien? nicht interaktiv: wenn eine der fünf Spannungen überschritten wird, führt das zum Versagen interaktiv: Zusammenspiel der Spannungen darf Versagenskriterium nicht überschreiten
  • Was bedeutet die Abkürzung ILS? interlaminare Schubspannungen durch Querkräfte Zwischenfaserbrüche in 90° Schichten Schlagbelastungen Randspannungen
  • Was bedeuten die Abkürzungen w(b) und w(t)? Sandwich local instability: w(t) top face sheet wrinkling w(b) bottom face sheet wrinkling
  • Rechnen Sie mit Angabe einer Formel einen Normalkraftfluss um in eine Normalspannung. Normalkraftfluss = 300 kN/m Dicke des Laminats = 5 mm N_xt = 300 kN/m = 300 * (1000N / 1000 mm) = 300 N/mm t = 5 mm σ_xt = N_xt / t = (300 N/m) / (5 mm) = 60 N/mm²
  • Wie ist ein Biegemomentenfluss definiert? M_x = (6*M_x+) / d²   =>  M_x+ = (M_x * d²) / 6
  • Was ist eine Bypasskraft bei einer Bolzenverbindung? Kraft, die durch andere Bolzen verursacht wurde
  • Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung sig_z in einem Klebstoff bei einer Einfachüberlappung. "geschwungenes W", Spannung (MPa) über Länge x (mm), mittleres Maximum knapp über 0
  • Erklären Sie, wieso Sie bei dem Programm ESAComp die Indizes zx für die Spannungsdarstellung eingeben müssen, wenn Sie den Verlauf der Schubspannung über die Dicke eines Laminates aufgrund einer Querkraft darstellen wollen. z für Dicke, x für Länge
  • In der Abbildung ist eine Klebverbindung mit einer Einfachüberlappung von zwei gleichen Laminaten, die ausschließlich auf Zug (Nx) belastet sein soll, dargestellt. Die Einspannbedingungen sind links und rechts „clamped“. Skizzieren Sie qualitativ die Verformung der Klebverbindung und den Verlauf der Schubspannungen tau_zx im Klebstoff. (?) Biegung um Mittelebene; Spannung in der Mitte maximal, schlägt an ME um
  • Wie rechnen Sie einen Biegemomentenfluss um in eine Biegespannung? Mit Skizze und Formeln erklären. Mb*6/d^2
  • Rechnen Sie mit Angabe der Formel einen Biegemomentenfluss um in eine Biegespannung. Biegemomentenfluss = 1440 Nm/m Dicke des Laminats = 12 mm M*6/t^2 = 1440 Nm/m * 6 / 144 mm^2 = 60 N/mm^2
  • Bei einer Bolzenverbindung mit mehreren Bolzen sind die Bolzen unterschiedlich belastet. Laminat 1 und Laminat 2 sind gleich. Skizzieren Sie unter dem Bild qualitativ als Balken die Größen der einzelnen Bolzenkräfte. Links nach rechts: Kräfte nehmen ab (als Balken zeichnen)
  • Bei einer Bolzenverbindung mit mehreren Bolzen sind die Bolzen unterschiedlich belastet. Laminat 1 hat einen deutlich größeren E-Modul als Laminat 2. Skizzieren Sie unter dem Bild qualitativ als Balken die Größen der einzelnen Bolzenkräfte. Links nach rechts: Bolzenkräfte klein, nehmen ab, Bypasskräfte Laminat 1 nehmen ab, Laminat 2 nehmen zu (als Balken zeichnen)
  • Wie ändern sich bei einer Bolzenverbindung der Lochleibungsdruck und die Masse eines Bolzens mit zunehmendem Durchmesser? Druck sinkt, Masse steigt
  • Was bedeuten folgende Abkürzungen in dem Programm ESAComp bei einem Klebstoff? X_t, X_c, S X_t,u, X_c,u, S_u X_eps,t,u, X_eps,c,u, S_eps,u X_t: Zugfestigkeit in x-Richtung X_c: Druckfestigkeit in x-Richtung S: Schubfestigkeit U: ultimate X_t,U etc. stresses (Spannungen) X_eps,t,U strains (Dehnungen)
  • Erläutern Sie anhand einer Skizze, in welchen Richtungen die Spannungen in einem Klebstoff bei folgenden Bezeichnungen in dem Programm ESAComp wirken. sig_z. tau_zx, tau_yz sig_z: Dickenrichtung des Laminats tau_zx: Schub in zx-Ebene -> wirkt in x (Belastung in x-Richtung) tau_yz: Schub in yz-Ebene -> 0, wenn Belastung in x-Richtung
  • Begründen Sie, warum die Festigkeit einer Bolzenverbindung deutlich besser bei Flugzeugbaulaminaten als bei Kreuzverbunden ist. FB-Laminat hat höchste Lochleibungsfestigkeit
  • Was klicken Sie jeweils an, wenn Sie die Eigenschaften folgender Schichten eingeben möchten: Metall, UD, Gewebe, Matte, Klebstoff, Wabenkern, Schaum Metall: homogeneous; isotrop UD: Reinforced ply, unidirectional; trans iso 23 Gewebe:reinf, other; orthotropic Matte: homogeneous ply, trans iso 12 Klebstoff: Adhesive ply; isotropic Wabenkern: Core ply, honeycomb; orthotropic Schaum: Core ply, foam; isotropic
  • Was bedeuten die Abkürzungen RF, 1/RF und MoS und wie sind sie definiert (mit Formeln)? R (Reserve factor) = sigma_zul / sigma_vorh 1/R (Inverse reserve factor) = sigma_vorh/sigma_zul MoS (Margin of Safety) = RF-1 = (σ_zul - σ_vorh)/σ_vorh
  • Was bedeuten die Abkürzungen: iff(A) fft ffc iff(A): interfibre failure, mode A fft: fibre failure tension ffc: fibre failure compression
  • Warum ist bei Klebverbindungen eine Doppelüberlappung besser als seine Einfachüberlappung? symmetrische "joint deflection" (Abbiegung der Überlappungen)
  • Skizzieren Sie den Verlauf der Umfangsspannung über den Winkel Theta in einem Kreuzverbund bei einer Bolzenverbindung mit nur einem Bolzen. fast konstant
  • Skizzieren Sie den Verlauf der Umfangsspannung über den Winkel Theta in einem Flugzeugbaulaminat bei einer Bolzenverbindung mit nur einem Bolzen. geschwungenes W, Maximum bei 0°, Minima bei +-40°