001 FKV Introduction WS0708

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8/16/2019 001 FKV Introduction WS0708

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Kindervater FKV 2007/2008 Introduction 1

Vorlesung WS 2007/2008

Technologie- und Dimensionierungsgrundlagen für Bauteile aus

Faserkunststoffverbund (FKV) (Nr. 39375)Dipl.-Ing. Christof Kindervater

DLR Stuttgart, Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Technologische Grundlagen:

• Fasern/Matrixsysteme/Halbzeuge⇒ Hochleistungssysteme: GF, CF, AF, Hybride

⇒ Duro- und Thermoplastmatrix

⇒ Textile Halbzeuge

• Fertigungsverfahren

⇒ Formenbau

⇒ Duromer- und Thermoplastverarbeitung

Strukturmechanische Grundlagen:

• Mikromechanik

• Klassische Laminat-Theorie (CLT)

• Einfluss von Temperatur und Feuchte

• Versagenshypothesen

• Krafteinleitungen (Kleben, Bolzen, Schlaufen)

• Berechnungsprogramme auf PC

Fallstudie (CFK-Rumpf-Konzept)

Recycling

EinführungWarum FKV?/Trends/Historie/Vorbild Natur

AnwendungenLuft- und Raumfahrt, Wind, Sport, Schiffsbau,

Fahrzeuge, Bau, Medizin, Maschinenbau, Elektro

Vorl. nur im WS, 2 Wochenstunden,

Mündl. Prüfung (Vertiefung und Wahlfach)

Technologie- und Dimensionierungs-grundlagen für Bauteile aus

Faserkunststoffverbund (FKV)

Anwendungen: CFK-Rumpf Vorbilder aus der Natur

Technologie: Neue Halbzeuge,Fasern, Matrix, Kernmaterialien

Technologie: VARIInfusions-Prozess

Mikromechanik: UD,Gewebemodelle Klassische Laminattheorie und

Versagenshypothesen,Schädigungsmodelle

Krafteinleitungen

• Kleben

•Bolzen•Schlaufen

Crash- und HVI-Belastung

21.12.

14.12.

15.02.07.12

08.02.30.11.

01.02.23.11.

25.01.16.11.

18.01.09.11.

11.01.19.10.

20082007

Termine

Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (1)

Ab dem Prüfungstermin Frühjahr 2006 gilt folgende Regelung:

Schrif tliche Prüfung:

Die Prüfung besteht wie bisher aus zwei Teilen:

• Kurzfragen ohne Hilfsmittel (Dauer 30 Minuten)

• Aufgabenteil mit Hilfsmitteln (Dauer 120 Minuten)

Zu bearbeiten sind die Fragen aus einem der Fächer:

• Flugzeugentwurf I und II (4 Semesterwochenstunden)

• Leichtbau I und II (4 Semesterwochenstunden)• Windenergienutzung I und Entwurf von Windenergieanlagen I

(4 Semesterwochenstunden)

Sowie aus einem der Fächer

• Lastannahmen (2 Semesterwochenstunden)

• Werkstoffe und Fertigungsverfahren (2 Semesterwochenstunden)

Damit werden im schriftlichen Teil 6 der erforderlichen 10 Semesterwochenstunden

abgeprüft. Der Umfang der Prüfungsaufgaben steht im Verhältnis zur Stundenzahl der

jeweiligen Fächer.

Mündliche Prüfung:

Mündliche Prüfungen können derzeit in den folgenden Fächern abgelegt werden*:

- Auslegung von Flugzeugsystemen I (Sigolotto, 2 SWS)- Auslegung von Flugzeugsystemen II (Sigolotto, 2 SWS)

- Flugführung (Zeller, 2 SWS)

- Zerstörungsfreie Prüfung (Prof. Busse, 2 SWS)

- Labor für zerstörungsfreie Prüfung (Prof. Busse, 2 SWS)

- Keramische Werkstoffe (Prof. Busse, 2 SWS)

- Konstruieren mit Keramik (Weihs, 2 SWS)

- Faserverbundwerkstoffe (Kindervater, 2SWS)

- Ermüdung von Faserverbundwerkstoffen (Kensche, 2 SWS)

Neuregelung der Vertiefungsprüfung „ Flugzeugbau und Leichtbau“ (3)Mündliche Prüfung (Fortsetzung):

- Werkstoffe für Antriebssysteme (Prof. Voggenreiter, 2 SWS)

- Windenergienutzung I (Prof. Kühn, 2 SWS)

- Windenergienutzung II (Prof. Kühn, 2 SWS)

- Entwurf von Windenergieanlagen I (Prof . Kühn, 2 SWS)

- Windenergie-Projekt / Entwurf von Windenergieanlagen II (2 SWS)

- Windenergie-Labor (Prof. Kühn, 2 SWS)

- Regenerative Energien (Dörner, 2 SWS)

Es sind 2 der oben genannten Fächer zu wählen.

Das Angebot der Fächer kann variieren. Es gilt der jeweils aktuelle Aushang am IFB.

Die mündliche Prüfung findet in Absprache mit den jeweiligen Prüfern entweder direkt im

Anschluss an die Vorlesung oder in der vorlesungsfreien Zeit nach der Vorlesung statt.

Die Regelprüfungsdauer pro Fach beträgt 15 Minuten. Es sind Einzel- und Gruppenprüfungen

möglich.

Allgemeines:

Die schriftliche Prüfung und die 2 mündlichen Prüfungen (Summe 10

Semesterwochenstunden) müssen jeweils an einem Prüfungstermin (Frühjahr oder

Herbst) abgelegt werden.

Die Punkte, aus denen die Note gebildet wird, werden entsprechend der

Semesterwochenzahl der einzelnen Fächer gewichtet.

Bei Nichtbestehen der Prüfung muss an einem der nächsten Prüfungstermine wie

bisher die gesamte Prüfung wiederholt werden. Bei der Wiederholungsprüfung kann

auch eine andere Fächerkombination gewählt werden.

Klassifizierung von FVW

Abkürzungen, Begriffe, Symbole und Definitionen (1)

S- Gl as Gl asf aser sor t e

P Dr uck

SV- (Laminat) KOS

Natürliches Koordinatensystem

(KOS) der Einzelschicht (ES)

Koordinatensysteme

Gedrehtes KOS der ES

What is a polymer composite?

Fibre Matrix

Basic materials

Typical matrices:• polyester

• epoxy

• vinylester

• thermoplast

Typical fibres:• glass

• carbon

• aramid

Role of the fibre:

• provides high specific

strength and stiffness

Role of the matrix:

• shape of the structure, keeps fibres together

• transfers loads between fibres, compensates peak stresses

• provides minimum distance between fibres, protects the

fibres

Advantages and disadvantages of composites

Advantages:• high mass specific strength and

stiffness

• “tailored” materials and structures- adaptation to load path

- use of an-isotropic properties

- design flexibility/complex shapes

- multifunctional design

• good damping and fatigue

• low corrosion and good chemical

resistance

• high electric resistance GFK)

• low thermal expansion (CFK)

• not magnetic• low production cost (?)

• low energy consumption for production

Disadvantages:• special experience needed

- design

- pre- and final analysis- production technology

• limited knowledge in life cycle

behaviour and operational use

• quality control and assurance

• material properties are generated

during production process

• certification problems

• limited temperature resistance of

several fibres and matrices• low failure strains/ no plasticity

• relative high cost of several fibres and

pre-forms

• relative low experience in automation

Basic composite properties

Comparison of material/fibre

properties

Typical stress-strain behaviour:

• stiffness ratio fibre/matrix: 20/1-100/1

• fibres linear elastic, matrix non-linear

Comparison of specific strength and stiffness of composites

Zusammenhänge der Verbundtechnologie

Wichtige Eigenschaften von FKV aus Sicht der Unternehmen

Verbesserung der Einsatzbedingungen von FKV

Strukturgewichteinfluss auf die Reichweite

Einsatz von Kohlenstoffasern

2007: ca. 30.000t/aweltweit

Einsatz von Glasfasern

Branchenverteilung

Market potential of composite

Market trends of fibres and

matrices in USA

Accepted cost for mass reduction

Source: Rockwell

Airbus application and weight saving potential of composites

Prognosis of Airbus composite

application until 2000

Globale Technologie Trends bei künftigen CFK-Strukturen

Comparison of cost of aerospace materials

5 10 20 30 50 100 200 300 500 €/dm³

Energy consumption for composites

Example: Car motor hood

Energy consumption

due to fuel during

operation of car

Energy consumption

for material and part

production

Energy consumption for metal and

composite structural designs

Source: FZK

Geschichtliche Entwicklung der FVW (1)

Ein “ Klassischer” Verbundwerkstoff - Damaszener Stahl (2)

Glaswickeltechnik in Ägypten (3)

Geschichtliche Entwicklung der FKV-Anwendung (4)

Geschichtliche Entwicklung der FKV-Anwendung (5)

Werner Nachtigall: Vorbild Natur

Nature as ideal for l ight-weight structures and optimisation (1)

• Siliziumdioxide shell of searadiolarie: light and compression

resistant

• airship nose section: light and

high bending stiffness

Analogous designs:

• aluminium honeycomb

• brown sea-weed from Chile

Source: Werner Nachtigall

Nature as ideal for light-weight structures, fibres and

optimisation (2)

• spider net with optimised

load introduction points

• roof of Olympia stadium

Munique (Frey Otto)

Source: Werner Nachtigall

Spider net:

• “Keratin” fibres: elongation up to 40% at

very low temperatures, diameter: 1,5-5 μm

• non water soluble

• applications: ballistic protection, silk like fabrics,

fisher nets, cross wires in optical sights

• structure with bulkheads and

longitudinal beams: strong Chitin

• skin: very thin Chitin sheet

Analogous design:

• stalk of cactus branch

• CFRP robotic arm section of

ROTEX experiment

Wing of Calliphora erythrocephala:• strong beams in front

• light beams in the back

• very light skin

Analogous design:

• blade of grass

• TV tower Quelle: Nachtigall

Analogous designs: nature and composites (6)

CFRP laminate and bamboo micro-structure

CFRP micro-structure and Paracortex cell of merino wool

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