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Die
Erfindung betrifft ein Verbundmaterial, bestehend aus einem Faserverbund
einer Vielzahl von Faserverbundschichten (Faserverbundlaminat), einem
mit einem Verbindungsmaterial gebildeten Verbindungsbereich und
ein zwischen dem Faserverbund und dem Verbindungsbereich ausgebildeten Übergangsbereich,
wobei der Verbindungsbereich aus Schichten aus dem Verstärkungsmaterial
und durch den Übergangsbereich
in den Verbindungsbereich durchgehenden Faserverbundschichten gebildet
ist, und sich zwischen den durchgehenden Faserverbundschichten nicht
durchgehende Faserverbundschichten und entsprechende Schichten aus dem
Verstärkungsmaterial
in den Übergangsbereich hinein
erstrecken.
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Moderne
Faserverbunde mit einer polymeren Matrix, beispielsweise Kohlenstofffaser
oder Glasfaser verstärkte
Kunststoffe (CFK oder GFK), weisen hohe Zug- und Druckfestigkeiten
auf. Für
die hohe Zug- und Druckfestigkeit sind Faserverbundschichten mit
in Zug- und Druckrichtung liegenden Faserrichtungen verantwortlich.
Es ist gebräuchlich, einen
Faserverbund mit bezüglich
der Längsrichtung in
0°, 90° und +/–45° oder ähnlich liegenden
Faserrichtungen aufzubauen. Für
eine hohe Zugfestigkeit liegt der Anteil der 0°-Schichten höher als die jeweiligen Anteile
der übrigen
Faserverbundschichten mit anderen Faserrichtungen.
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In
aller Regel ist es erforderlich, derartig hergestellte Faserverbundbauteile
mit anderen Bauteilen gleicher Art oder anderer Art zu verbinden.
Dies geschieht häufig
mit Hilfe von Bolzenverbindungen. Die für eine hohe Zug- und Dreckfestigkeit
verantwortlichen Faserverbundschichten in 0°-Richtung weisen aber nur eine
sehr geringe Lochleibungsfestigkeit auf. Eine verbesserte Lochleibungsfestigkeit ist
durch einen erhöhten
Anteil von schräg
gerichteten Faserverbundschichten (beispielsweise +/–45°, +/–30° oder ähnlich)
zu erhalten. Bei gleichem Querschnitt bzw. bei gleicher Dicke des
Faserverbundes wird jedoch die Zugfestigkeit herabgesetzt.
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Es
ist daher beispielsweise aus der
WO 00/56 541 A1 bekannt, das Faserverbundmaterial
mit einem Verbindungsbereich zu versehen, der mit einem Verstärkungsmaterial
gebildet ist. Als Verstärkungsmaterialien
werden geeignete Metallschichten, beispielsweise aus Titan, eingesetzt.
Die Integration der metallischen Verstärkungsmaterialien in den Faserverbund
erfolgt mittels bekannter Schichtersatztechniken. Es ist bekannt,
in dem Übergangsbereich einzelne
Faserverbundschichten zu unterbrechen und teilweise durch Metallschichten
gleicher Dicke zu ersetzen. Dabei liegen die Metallschichten und
die unterbrochenen Faserverbundschichten auf Stoß. Die Stelle, an der die Schichtunterbrechung
stattfindet und eine Metallschicht auf eine unterbrochene Faserverbundschicht
stößt, wird
als Schichtersatzpunkt oder Stoßstelle
bezeichnet.
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Durch
die Integration der Metallschichten (vgl. etwa die
WO 02/078 950 A1 ) werden
bestimmte schwache Eigenschaften von unverstärkten Faserverbundlaminaten
positiv beeinflusst. Unverstärkte Faserverbundlaminate
zeichnen sich durch eine geringe Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit
aus. Gerade für
die Tragfähigkeit
von Bolzenverbindungen ist jedoch eine hohe Lochleibungsfestigkeit
und Scherfestigkeit ausschlaggebend.
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Um
die Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit im Verbindungsbereich
zu erhöhen,
werden Metallschichten hoher Lochleibungsfestigkeit und Scherfestigkeit,
beispielsweise aus einem monolithischen oder geschichteten Titanmaterial
eingesetzt.
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Das
teilweise Ersetzen einer Faserverbundschicht durch eine Metallschicht
bewirkt am Schichtersatzpunkt eine Lastableitung von der unterbrochenen
Faserverbundschicht, eine Lastumleitung über die benachbarten Faserverbundschichten
und schließlich
eine Steifigkeit gesteuerte Lasteinleitung in die eingebettete Metallschicht.
Diese Lastableitung wird als „Lastwanderung" um den Schichtersatzpunkt herum
bezeichnet.
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Mit
der Lastwanderung sind einige Nachteile verbunden: Die Lastwanderung
führt zu
lokalen Spannungskonzentrationen am Schichtersatzpunkt. Die Lastableitung
aus der unterbrochenen Faserverbundschicht und die Lasteinleitung
in die eingebettete Metallschicht erzeugen Schubspannungsspitzen. Die
Lastumleitung um die benachbarten Faserverbundschichten herum erzeugen
lokale Überlastungen
angrenzender Faserverbundschichten. Die Schubspannungsspitzen können zu
einem Ablösen einzelner
Schichten des Faserverbundlaminates (Delamination) führen. Die
lokalen Überlastungen angrenzender
Schichten können
zum lokalen Faserbruch führen.
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Die
Gefahr der Delamination oder des lokalen Faserbruchs treten auch
auf, wenn Faserverbundschichten nicht teilweise mit Metallschichten sondern
mit anderen, auch gleichartigen, Faserverbundschichten ersetzt werden,
wie es bei Spleißverbindungen
der Fall ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, ein Verbundmaterial
der eingangs erwähnten
Art so auszubilden, dass lokale Überlastungen
benachbarter Faserverbundschichten am Schichtersatzpunkt und Schubspannungsspitzen
reduziert werden, um die Tragfähigkeit
des Übergangs vom
Faserverbundlaminat zum Faserverbund/Metallhybrid und bei Spleißverbindungen
zu erhöhen.
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Ausgehend
von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verbundmaterial der eingangs erwähnten Art
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich eine Zwischenschicht
angeordnet ist, die einerseits Stoßstellen mit den nicht durchgehenden
Faserverbundschichten und andererseits mit den entsprechenden Schichten
aus dem Verstärkungsmaterial
ausbildet, und dass die Zwischenschicht eine geringere Steifigkeit
aufweist als die angrenzen de nicht durchgehende Faserschicht und
die entsprechende Schicht aus dem Verstärkungsmaterial.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial
liegen die unterbrochene Faserverbundschicht und die ersetzende
Schicht, beispielsweise eine Metallschicht, nicht auf Stoß aufeinander.
Der zwischen diesen beiden Schichten gebildete und mit einem geeigneten
Füllmaterial
ausgefüllte
Zwischenraum (auch „gap" genannt) bildet
eine Zwischenschicht. Die Zwischenschicht weist eine geringere Steifigkeit auf
als die beiden angrenzenden Schichten. Hierdurch werden lokale Überlastungen
angrenzender Faserverbundschichten reduziert, indem der Lokalisierung
der Belastungen bei der Lastumleitung entgegengewirkt wird. Durch
das Einfügen
der Zwischenschicht wird der Lastumleitung genügend Freiraum für die Ausbreitung
und Verteilung in Richtung der Laminatdicke bereitgestellt. Die
von der nicht durchgehenden Faserverbundschicht abgegebene Last
verteilt sich somit über
die gesamte Laminatdicke, bis sie wieder von der eingebetteten Metallschicht
bzw. der eingebetteten Faserverbundschicht (bei einer Spleißverbindung)
angezogen wird. Die Ausbreitung und die bessere Verteilung der Last
bewirkt eine gleichmäßigere Belastung über den
Restquerschnitt am Schichtersatz. So werden die lokalen Überlastungen
an den am Schichtersatzpunkt anliegenden Schichten abgemindert.
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Im
Verbindungsbereich sind vorzugsweise abwechselnd die durchgehenden
Faserverbundschichten und die Schichten aus dem Verstärkungsmaterial
geschichtet. Auf diese Weise bleibt eine gewünschte Symmetrie erhalten und
es wird eine hohe Lochleibungsfestigkeit bei einer auch im Übergangsbereich
verbleibenden hohen Festigkeit gegen die Hauptbelastung des Faserverbundes
(insbesondere Zugfestigkeit) erreicht. Zweckmäßigerweise weisen die Faserverbundschichten
und die Schichten aus dem Verstärkungsmaterial
alle eine gleiche Schichtdicke auf.
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Besonders
zweckmäßig ist
es für
das erfindungsgemäße Verbundmaterial,
wenn die Faserverbundschichten des Faserverbunds symmetrisch zur Mittelebene
der Dicke des Faserverbunds angeordnet sind und wenn dann in dem Übergangsbereich die
Stoßstellen
ebenfalls jeweils symmetrisch zur Mittelebene des Faserverbundes
liegen. Auf diese Weise lässt
sich eine Symmetrie auch bezüglich
der Faserverbund schichten über
die Dicke des Faserverbundes bis in den Verbindungsbereich hin realisieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt
das Verhältnis
von Länge
zu Dicke der Zwischenschichten zwischen 5 und 40 und/oder das Verhältnis der
Länge der
Zwischenschichten zu Dicke des Verbundmaterials zwischen 2 und 10.
Bei diesen Verhältnissen
wird eine für
viele Anwendungen erforderliche hohe Tragfähigkeit des Übergangsbereiches erzielt.
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Die
Schichtdicke der Faserverbundschichten des beispielsweise metallischen
Titan-Verstärkungsmaterials
liegt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1 mm.
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Zweckmäßig gehen
diejenigen Faserverbundschichten bis in den Verbindungsbereich durch, die
im Hinblick auf die Hauptbelastung des Faserverbundes am festesten
sind. Die Hauptbelastung wird im Allgemeinen eine Zugbelastung sein,
so dass die durchgehenden Schichten im Allgemeinen eine 0°-Faserrichtung
aufweisen werden.
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Bei
der Verwendung von schrägen
Faserrichtungen, insbesondere in einer 45°-Orientierrung, ist es zweckmäßig, jeweils
eine Faserschicht der Orientierung plus α (0° < α < 90°) jeweils
unmittelbar an einer Faserschicht der Orientierung –α anliegen
zu lassen und so auszubilden, dass beide Faserverbundschichten zusammen
die Dicke einer 0° oder 90°-Schicht
aufweisen.
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Auch
diese Anordnung dient der Erhaltung einer möglichst perfekten Ausgewogenheit
des Faserverbundes bezüglich
seiner Mittelebene.
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Das
erfindungsgemäße Verbundmaterial
ist insbesondere für
hochfeste Verbindungsanordnungen eines Flugzeuges geeignet, beispielsweise
zur optimierten Kopplung von Stringern an einem Flügel.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
einen Schnitt durch ein Verbundmaterial gemäß dem Stand der Technik mit einem
Verbindungsbereich zur Herstellung einer Verbindung zu einem anschließenden Verbundmaterial gleicher
Art,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Bereichs um einen Schichtersatz aus 1,
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3 schematisch
den Lastverlauf um den Schichtersatz aus 2,
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4 schematisch
einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial um den
Bereich einer Zwischenschicht,
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5 schematisch
den Lastverlauf in dem Bereich um die Zwischenschicht aus 4,
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6 schematisch
einen Schnitt durch ein Verbundmaterial mit einem Verbindungsbereich
zur Herstellung einer Verbindung zu einem anschließenden Verbundmaterial
gleicher Art,
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7 den
berechneten Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung an
den kritischsten Querschnitten zweier Laminate im Bereich des Schichtersatzes,
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8 den
Verlauf der Überlastungsreduktion
in Abhängigkeit
der Länge
der Zwischenschicht,
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9 den
Vergleich der Verläufe
der Zugspannungsüberhöhungen in
Dickenrichtung im Restquerschnitt für die beiden Laminate aus 7,
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10 die
berechnete Überlastungsreduktion
im Restquerschnitt in Abhängigkeit
der Länge
der Zwischenschicht,
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11 berechnete
Schubspannungsverläufe
am Rand einer ersetzten CFK-Schicht
und einer eingebetteten Titanschicht und
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12 berechnete
Schubspannungsmaxima in Abhängigkeit
der Länge
der Zwischenschicht.
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1 zeigt
einen Faserverbund 1 gemäß dem Stand der Technik mit
zahlreichen aufeinander liegenden Faserverbundschichten 2,
die ein Faserverbundlaminat bilden.
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Über einen Übergangsbereich 3 geht
der Faserverbund 1 in einen Verbindungsbereich 4 über. In dem
Verbindungsbereich 4 bilden durch den Übergangsbereich 3 hindurchgehende
Faserverbundschichten 2 abwechselnden mit Metallschichten 5 ein Faser-Metall-Laminat 6 (Hybridbereich).
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Die
Metallschichten 5 dienen der Verstärkung des Faserverbundes 1 im
Verbindungsbereich 4. Die Verbindung erfolgt vorliegend über Bolzen,
deren Achsen 7 dargestellt sind. Das Einbetten der Metallschichten 5 erfolgt
durch Unterbrechen einzelner Faserverbundschichten 2 und
Ersetzen eines Teils dieser Faserverbundschichten 2 durch
die Metallschichten 5.
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Die
nicht durchgehende Faserverbundschicht 2 und die entsprechende
Metallschicht 5 werden so zueinander angeordnet, dass sie
an der Stelle der Unterbrechung, einem so genannten Schichtersatzpunkt
(auch Stoßstelle
genannt), auf Stoß angeordnet
werden. Fertigkeitsbedingt ist jedoch nicht zu vermeiden, dass an
der Stoßstelle
ein geringer Zwischenraum 8 entsteht. In dem dargestellten
Faserverbund 1 haben alle Schichten, einschließlich der Metallschichten 5,
die gleiche Dicke.
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Der Übergangsbereich 3 ist
zwischen dem Faserverbund 1 und dem Faser-Metall-Laminat 6 ausgebildet.
Der Übergangsbereich 3 umfasst
alle Schichtersatzbereiche 9 und stellt einen Übergang vom
Faserverbund 1 zum Faser-Metall-Laminat 6 mit der
Bolzenverbindung dar.
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Die
Schichtersatzbereiche 9 sind zueinander gestuft angeordnet.
Eine vergleichbare Anordnung ist ebenso bei einer gewöhnlichen
Spleißverbindung in
Faserverbundlaminaten vorzufinden. Bei einer Spleißverbindung
sind die Metallschichten 5 durch Faserverbundschichten
beliebiger Orientierung ersetzt. Spleißverbindungen in der gewöhnlichen
Faserverbundtechnik ergeben sich aus Einschränkungen in den Ausmaßen von
Faserhalbzeugen: große Strukturen
mit größeren Ausmaßen als
die der verfügbaren
Faserhalbzeuge erfordern eine Stückelung und
somit das Einbringen von Spleißstellen.
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2 zeigt
einen der Schichteratzbereiche 9 aus 1 in
vergrößerter Darstellung.
Die Faserverbundschicht 2 ist an dem Schichtersatzpunkt
unterbrochen. Sie wird durch die eingebettete Metallschicht 5 fortgeführt. Die
Metallschicht 5 und die Faserverbundschicht 2 sind
auf Stoß zueinander
angeordnet. Die Faserverbundschicht 2 und die Metallschicht 5 weisen
die gleiche Schichtdicke auf. Der Rand 10 („ply drop
off”)
der unterbrochenen Faserbundschicht 2 und der Rand 11 („ply add
an") der eingebettenen
Metallschicht 5 fallen bei dieser Anordnung – bis auf
den fertigungsbedingten Zwischenraum 8 – zusammen.
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3 zeigt
schematisch den Beanspruchungszustand an dem konventionellen Schichtersatz
aus 2 in Folge einer äußeren Zugbelastung 12 an
der unterbrochenen Faserschicht 2 und der Metallschicht 5.
Die Zugbelastung 12 führt
zu einer Lastumleitung 13 über benachbarte Faserverbundschichten 14 um
den Schnittersatzpunkt herum. Es ist zu erkennen, dass eine Lastableitung
durch interlaminaren Schub 15 von der unterbrochenen Faserverbundschicht 2 in
die benachbarte Faserverbundschicht 14 erfolgt. Der interlaminare
Schub 15 ruft Schubspannungsspitzen 16 an den
Rändern 10 und 11 hervor.
Die Lastumleitung 13 ruft Überlastungen 17 der
angrenzenden Faserverbundschichten 14 hervor.
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Der Übersicht
halber ist die Überlastung über mehrere
Faserverbundschichten 14 dargestellt. In der Praxis konzentrieren
sich diese Überlastungen jedoch
in den unmittelbar benachbarten Faserverbundschichten 14.
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4 zeigt
schematisch die Ausführung
eines Schichtersatzes in einem erfindungsgemäßen Verbundmaterial. Ein Rand 18 einer
unterbrochenen Faserverbundschicht 19 ist nicht auf Stoß mit einem Rand 20 einer
eingebetteten Metallschicht 21 angeordnet. Zwischen dem
Rand 18 der Faserverbundschicht 19 und dem Rand 20 der
Metallschicht 21 ist ein Zwischenraum 22 (auch „gap" genannt) ausgebildet,
der mit einem geeigneten Füllmaterial
ausgefüllt ist.
Das durch den Zwischenraum 22 geformte Füllmaterial
bildet eine Zwischenschicht 23. Das Füllmaterial wird so gewählt, dass
die Steifigkeit der Zwischenschicht 23 geringer ist als
die Steifigkeit der eingebetteten Metallschicht 21 und
der an der Zwischenschicht angrenzenden Faserverbundschicht 19.
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Der
Mindestabstand zwischen dem Rand 18 und dem Rand 20 ist
primär
abhängig
von den Eigenschaften der durch die Metallschicht 21 ersetzten Schicht
(insbesondere von deren Dicke, Steifigkeit und Belastung) und von
den Eigenschaften der eingebetteten Metallschicht 21 (insbesondere
von der Dicke, Steifigkeit und Belastung). Das Füllmaterial enthält vorliegend
kurzfaserverstärkte
Schichten. Das Verhältnis
von Länge
L und Dicke D der Zwischenschicht 20 beträgt etwa 7.
Das Verhältnis
von Dicke des Faserverbundes zu Dicke der Faserverbundschicht 2 beträgt etwa 11.
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5 zeigt
schematisch den Beanspruchungszustand an dem erfindungsgemäßen Schichtersatz
aus 4. Es ist zu erkennen, dass hier eine Lastumleitung 24 über einen
größeren Bereich
angrenzender Schichten 25 ausgeweitet ist. Dies rührt daher,
dass für
die Lastumleitung 24 mehr Freiraum in Folge der weicheren
Zwischenschicht 23 zur Verfügung steht. Dies führt zu geringeren Überlastungen 26 und
zu geringeren Schubspannungsspitzen 27 bei der Lastableitung
bzw. Lasteinleitung durch den interlaminaren Schub.
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6 zeigt
eine Ausführung
eines Übergangsbereiches 28 aus
mehreren erfindungsgemäßen Schichtersatzbereichen 29 aus 5.
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7 zeigt
den Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in
Dickenrichtung (senkrecht zur Längsrichtung
entlang eines Pfades 30) für zwei Ausführungen eines Faserverbundlaminats.
Die eine Ausführung
bezieht sich auf den Stand der Technik, die andere auf die Erfindung.
Die Messung erfolgt an einem Messpunkt 35 im Bereich des
Schichtersatzes. Als Ordinate ist die Zugspannungsüberhöhung in
kPa und als Abszisse der Abstand von dem Messpunkt in Dickenrichtung
in mm aufgetragen.
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Die
Ausführung
gemäß dem Stand
der Technik betrifft eine unterbrochene 0°-Karbon-Schicht, in der eine 0,4 mm dicke
Titanschicht eingebettet ist. Die benachbarten Schichten sind 0°-Karbon-Schichten.
Zwischen der Titanschicht und der Karbon-Schicht ist ein fertigungsbedingter
Zwischenraum ausgebildet.
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Die
Ausführung
gemäß der Erfindung
betrifft eine unterbrochene 0°-Karbon-Schicht,
in der eine 0,4 mm dicke Titanschicht eingebettet ist. Die benachbarten
Schichten sind 0°-Karbon-Schichten. Zwischen
der Titanschicht und der Karbon-Schicht ist eine Zwischenschicht
ausgebildet. Die Zwischenschicht ist mit Harz gefüllt und
nicht tragend. Die Lastumleitung erfolgt über einen großen Bereich,
das heißt
es werden mehrere übereinander
liegende Schichten des Laminats für die Lastumleitung einbezogen.
Dies führt
zu geringeren Zugspannungsüberhöhungen an
angrenzenden Schichten als es bei der Ausführung gemäß dem Stand der Technik.
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Ein
erster Graf 32 zeigt den Verlauf für die Ausführung gemäß dem Stand der Technik, ein
zweiter Graf 33 den Verlauf für die Ausführung gemäß der Erfindung. Es ist deutlich
zu erkennen, dass die erfindungsgemäße Ausführung mit Zwischenraum eine Reduktion
der Zugspannungsüberhöhungen an
den ersten benachbarten Faserverbundschichten von etwa 18% mit sich
bringt. Der schnellere Abfall des ersten Grafen 32 gegenüber dem
zweiten Grafen 33 zeigt zudem, dass die Lokalisierung der Überlastungen
in einem kleineren Bereich der ersten Nachbarschicht erfolgt. Zum
Vergleich ist ferner ein dritter Graf 34 dargestellt, der
den ungestörten
Zustand, das heißt
ohne Unterbrechung oder Zwischenraum in der Faserverbundschicht,
wiedergibt.
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8 zeigt
die erreichbare Reduktion der Spannungsüberhöhungen durch die vorgeschlagene erfindungsgemäße Maßnahme in
Abhängigkeit
der Länge
des Zwischenraumes. Als Ordinate ist die Überlastreduktion in % und als
Abszisse die Länge des
Zwischenraumes in mm aufgetragen (entlang eines Pfades 35,
beginnend bei einem Messpunkt 36). Während schon kleine Zwischenraumlängen eine deutliche
Reduktion der Überlastungen
hervorrufen, erzeugt eine Vergrößerung der
Länge des
Zwischenraumes ab einem bestimmten Wert (hier etwa 2,5 mm) keine
weitere nennenswerte Verbesserung.
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9 zeigt
im Vergleich den Verlauf der Zugspannungsüberhöhungen in Dickenrichtung (entlang
eines Pfades 37). Als Ordinate ist die Zugspannung in kPa
und als Abszisse der Abstand von dem dargestellten Zwischenraum
in mm aufgetragen. Im Übrigen
bezieht sich dieses Beispiel auf die Ausführungen aus 7.
Ein erster Graf 38 bezieht sich auf eine Zwischenraumlänge von
0,2 mm, die einem fertigungsbedingten Zwischenraum gemäß dem Stand der
Technik entspricht. Ein zweiter Graf 39 bezieht sich auf
eine Ausführungsform
der Erfindung mit einer Zwischenschichtlänge von 6,2 mm. Ein dritter Graf 40 bezieht
sich auf einen ungestörten
Zustand in einer Faserverbundschicht ohne Unterbrechung. Es ist
deutlich zu erkennen, dass die optimierte erfindungsgemäße Ausführung mit
Zwischenraum eine Reduktion der Zugspannungsüberhöhungen an den ersten benachbarten
Faserverbundschichten mit sich bringt. Auch ist zu erkennen, dass
die Lokalisierung dieser Überlastung
in einem kleineren Bereich der ersten Nachbarschicht erfolgt.
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10 zeigt
die erreichbare Reduktion der Spannungsüberhöhung für die Ausführung nach 9 in
Abhängigkeit
der Länge
des Zwischenraumes. Als Ordinate ist die Überlastreduktion in % und als
Abszisse die Länge
des Zwischenraumes in mm aufgetragen (entlang eines Pfades 41).
Es ist einerseits zu erkennen, dass bereits kleine Zwischenraumlängen eine
deutliche Reduktion der Überlastungen
von bis zu 50 bis 60% hervorrufen. Andererseits zeigt 10,
dass eine Vergrößerung der
Länge des
Zwischenraumes ab einem bestimmten Wert (hier etwa 2,8 mm) keine
weitere nennenswerte Verbesserung mit sich bringt.
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11 zeigt
Schubspannungsverläufe
an einem Rand (entspricht einer Hilfslinie 42 in dem Diagramm)
einer ersetzten CFK-Schicht (CFK: Carbon-Faser verstärkter Kunststoff)
und einer eingebetteten Titanschicht. Als Ordinate ist die Schubspannung
in kPa und als Abszisse der Abstand in mm von dem Rand in Längsrichtung
aufgetragen. Die CFK-Schicht ist rechts der Hilfelinie 42 angeordnet. Die
Titanschicht ist links der Hilfslinie 42 angeordnet. Es
sind vier Grafen 43, 44, 45, 46 für vier Zwischenräume mit
Zwischenraumlängen
von 0,2 mm, 2,2 mm, 4,2 bzw. 6,2 mm dargestellt. Der Zwischenraum mit
einer Zwischenraumlänge
von 0,2 mm ist wie zuvor dem Stand der Technik zuzuordnen.
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12 zeigt
die Abhängigkeit
einer Schubspannungsreduktion von der Länge eines Zwischenraumes. Als
Ordinate ist die Schubspannungsreduktion in % und als Abszisse die
Länge des
Zwischenraumes in mm aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Schubspannungsspitzen
mit zunehmender Länge
des Zwischenraumes abnehmen. Allerdings ist die erzielbare Reduktion
kleiner als die erzielbare Reduktion der Überlastung. Graf 47 betrifft
eine titanseitige Reduktion, Graf 48 eine CFK-seitige Reduktion.
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- 1
- Faserverbund
gemäß Stand
der Technik
- 2
- Faserverbundschicht
- 3
- Übergangsbereich
- 4
- Verbindungsbereich
- 5
- Metallschicht
- 6
- Faser-Metall-Laminat
- 7
- Bolzenachse
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Schichtersatzbereich
- 10
- Rand
- 11
- Rand
- 12
- Zugbelastung
- 13
- Lastumleitung
- 14
- benachbarte
Faserverbundschicht
- 15
- interlaminarer
Schub
- 16
- Schubspannungsspitze
- 17
- Überlastung
- 18
- Rand
- 19
- Faserverbundschicht
- 20
- Rand
- l
- Länge
- d
- Dicke
- 28
- Übergangsbereich
- 29
- Schichtersatzbereich
- 30
- Pfad
- 31
- Messpunkt
- 32
- erster
Graf
- 33
- zweiter
Graf
- 34
- dritter
Graf
- 35
- Pfad
- 36
- Messpunkt
- 37
- Pfad
- 38
- erster
Graf
- 39
- zweiter
Graf
- 40
- dritter
Graf
- 41
- Pfad
- 42
- Hilfslinie
- 43
- Graf
- 44
- Graf
- 45
- Graf
- 46
- Graf
- 47
- Graf
- 48
- Graf