DE10342183A1 - Force application region in sandwich structures e.g. for aircraft or vehicles, comprises reinforcement that connects the outer skins - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Gestaltung sowie die Herstellung von Krafteinleitungsstellen in Kernverbunden mit im Bereich der Einleitungsstelle in Dickenrichtung des Kernverbundes durchsetzenden Armierungselementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to the design and the production of force application points in core composites with in the area of the introduction point in the thickness direction of the core composite enforcing reinforcing elements according to the preamble of claim 1.
Die
Erfindung eignet sich zur Einleitung von Kräften und Momenten in Kernverbund-Strukturen. Die Kernverbund-Struktur
kann vorzugsweise aus Faser-Kunststoff-Verbund mit Deckschichten aus textilen
Halbzeugen (
Zur Einleitung von Kräften und Momenten in Kernverbunden können zusätzliche aufgebrachte (sogenannte Onserts) oder eingebrachte Krafteinleitungselemente (sogenannte Inserts) eingesetzt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Kernwerkstoff im Bereich der Krafteinleitungsstelle zu entfernen und beide Deckschichten zusammenzuführen, so dass ein monolithischer Bereich aus Faser-Kunststoff-Verbund vorliegt und keine zusätzlichen Krafteinleitungselemente benötigt werden. Als weitere Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen können selbstschneidende Schrauben oder Schraubeinsätze sowie Nietverbindungen Anwendung finden, die allerdings nur geringe Kräfte oder Momente übertragen können. Krafteinleitungsstellen sind immer dann notwendig, wenn Kräfte und Momente in eine Struktur eingeleitet bzw. aus einer Struktur ausgeleitet werden sollen und Bauteile miteinander verbunden werden sollen. Kernverbund-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund finden z.B. in der Luft- und Raumfahrt, im Schienen- und Kraftfahrzeugbau wie im Schiffsbau häufig Anwendung.to Initiation of forces and moments in core networks can additional Applied (so-called Onserts) or introduced force application elements (so-called inserts) are used. It is also possible to remove the core material in the area of the force application point and merge both cover layers, leaving a monolithic Area of fiber-plastic composite present and no additional Force introduction elements needed become. As further force introduction concepts for core composite structures can self-tapping Screws or screw inserts As well as riveting found applications, but only small Forces or Transmit moments can. Force application points are always necessary when forces and moments introduced into a structure or discharged from a structure to be and components are to be interconnected. Core composite structures of fiber-plastic composite find e.g. in the air and Space, in rail and motor vehicle construction as in shipbuilding often application.
Alle bekannten aufgebrachten Krafteinleitungselemente (Onserts) für Kernverbund-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund werden auf eine der beiden Deckschichten stoffschlüssig verbunden. Alle Lösungen dieses Krafteinleitungskonzepts haben folgende Nachteile gemein. Beide Deckschichten werden stark unterschiedlich belastet, d.h. die Deckschicht mit dem aufgebrachten Onsert wird im Vergleich zur gegenüberliegenden Deckschicht deutlich höher beansprucht. Dadurch kann es zur Delamination zwischen dem Onsert und der Deckschicht bzw. zwischen den Deckschichten und der Kernschicht kommen. Weiterhin wird der zug- und druckweiche Kernwerkstoff unterhalb des Onserts nicht ausreichend verstärkt, so dass der Kernwerkstoff hohen Belastungen ausgesetzt ist und der Kernwerkstoff versagen kann. Um ein Versagen der Kernschicht unterhalb des Onserts zu vermeiden, wird bei einigen Lösungen der Kernwerkstoff vollständig im Bereich der Krafteinleitungsstelle durch ein anderes Material mit höheren mechanischen Eigenschaften substituiert.All known applied force introduction elements (Onserts) for core composite structures made of fiber-plastic composite are connected cohesively to one of the two cover layers. All solutions This force introduction concept have the following disadvantages in common. Both cover layers are heavily loaded differently, i. the topcoat with the applied onsert is compared to opposite Cover layer significantly higher claimed. This can cause delamination between the onsert and the cover layer or between the cover layers and the core layer come. Furthermore, the tension and pressure soft core material below of the onsert not sufficiently reinforced, so that the core material exposed to high loads and the core material fail can. To avoid failure of the core layer below the onsert, gets at some solutions the core material completely in the area of the force introduction point by another material with higher substituted mechanical properties.
Alle bekannten zusätzlich eingebrachten Krafteinleitungselemente (Inserts) werden mit der Kernverbund-Struktur stoffschlüssig verbunden. Hierbei können die Inserts innerhalb der Deckschichten, zwischen Deck- und Kernschicht oder im Kernwerkstoff platziert werden. Aufgrund der rein stoffschlüssigen Verbindung können sich die In serts infolge von örtlich angreifenden Kräften oder einer Momentbelastung von der gesamten Kernverbund-Struktur durch Versagen der Klebeverbindung lösen, wodurch ein Totalversagen der Krafteinleitung bzw. eine Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht auftreten kann.All known in addition introduced force introduction elements (inserts) are using the core composite structure cohesively connected. Here you can the inserts within the cover layers, between the cover and core layers or placed in the core material. Due to the purely cohesive connection can Inerts due to local attacking forces or a moment load of the entire core composite structure by failure of the adhesive bond, causing a total failure the introduction of force or a delamination between the outer layers and the core layer can occur.
Alle bekannten Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen ohne zusätzliche Krafteinleitungselemente haben gemein, dass im Bereich der Krafteinleitungsstelle der Kernwerkstoff zunächst entfernt oder gestaucht wird und die beiden Deckschichten zusammengeführt werden, so dass ein monolithischer Bereich aus Einzelverstärkungslagen aus Faser-Kunststoff-Verbund vorliegt. Anschließend kann eine Bolzenverbindung in den monolithischen Bereich angebracht werden. Hierbei kommt es bei allen bekannten Lösungen im Bereich der Zusammenführung zum Versagen der Deckschichten oder außerhalb des Bereichs der Zusammenführung zum Kernversagen oder zur Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht, da diese Bereiche keine zusätzliche kraft- und formschlüssige Verstärkung der Kernverbund-Struktur in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur aufweisen.All known force introduction concepts for core composite structures without additional power input tion elements have in common in the area of the force introduction point of the core material is first removed or compressed and the two cover layers are merged, so that there is a monolithic range of individual reinforcing layers of fiber-plastic composite. Subsequently, a bolt connection can be mounted in the monolithic area. In the case of all known solutions in the field of consolidation, failure of the outer layers or outside of the region of the consolidation leads to core failure or delamination between the outer layers and the core layer, since these regions do not provide additional positive and positive reinforcement of the core composite structure in the thickness direction Core composite structure have.
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Alle bisher bekannten Krafteinleitungskonzepte für Kernverbund-Strukturen haben gemeinsam, dass die Kernverbund-Struktur im Bereich der Krafteinleitungsstelle unzureichend verstärkt wird, wodurch Kernversagen infolge zu hoher Zug-, Druck- oder Schubspannungen sowie Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht auftreten können. Des Weiteren erfolgt bei allen bekannten Lösungen von zusätzlich aufgebrachten bzw. eingebrachten Krafteinleitungselementen keine kraft- und formschlüssige Anbindung der Elemente mit der gesamten Kernverbund-Struktur. Dadurch kann weder ein Ablösen des Krafteinleitungselementes von der Kernverbund-Struktur noch die Delamination zwischen den Deckschichten und der Kernschicht bzw. zwischen dem Krafteinleitungselement und der Deckschicht nicht verhindert werden.All previously known force introduction concepts for core composite structures have common that the core network structure in the area of the force introduction point insufficiently reinforced which causes core failure due to excessive tensile, compressive or shear stresses and delamination between the cover layers and the core layer may occur. Furthermore, in all known solutions of additionally applied or introduced force introduction elements no positive and positive connection the elements with the entire core composite structure. As a result, neither detachment of the Force introduction element of the core composite structure still the Delamination between the cover layers and the core layer or between the force introduction element and the cover layer is not prevented become.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die mechanischen Eigenschaften
der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden durch Einbringen von Armierungselementen
in Dickenrichtung der Kernverbund-Struktur (z-Richtung) zu verbessern
(
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass im Bereich der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden die
Deckschichten des Kernverbundes zusammengeführt sind und/oder ein Krafteinleitungselement
angeordnet ist, und ferner an der Einleitungsstelle eine Armierung
der Kernverbund-Struktur mit in Dickenrichtung des Kernverbundes
durchsetzenden Armierungselementen vorgesehen ist. Durch die Armierungselemente
sind im Bereich der Krafteinleitungsstelle die obere Deckschicht,
die Kernschicht und die untere Deckschicht kraft- und formschlüssig verbunden.
Des Weiteren kann das Krafteinleitungselement mit Hilfe der Armierungselemente
mit dem Kernverbund befestigt werden. Als Armierungslemente können vorzugsweise
textile Armierungsstrukturen (
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Armierungselemente über die Krafteinleitungsstelle hinaus in die Krafteinleitungsstelle umgebende Kernverbund-Struktur hineinreichen können, wodurch höhere Kräfte und Momente in die Kernverbund-Struktur eingeleiten werden können.One Another advantage of this invention is that the reinforcing elements on the Force introduction point out into the force introduction point surrounding Core composite structure can extend, causing higher forces and Moments can be introduced into the core composite structure.
Um keine zusätzlichen Krafteinleitungselemente, die das Gewicht der Kernverbund-Struktur nachteilig beeinflussen, zu benötigen, kann das Kernmaterial im Bereich der Krafteinleitungsstelle entfernt bzw. gestaucht, wodurch die Zusammenführung der Deckschichten ermöglicht wird.Around No additional Force introduction elements that adversely affect the weight of the core composite structure influence, need, can remove the core material in the area of the force application point or compressed, whereby the merging of the outer layers is made possible.
Ein weiterer Vorteil kann dadurch realisiert werden, dass das Krafteinleitungselement einen oder mehrere Flansche aufweist, wodurch die Kräfte und Momente über eine größere Fläche in die Kernverbund-Struktur eingeleitet werden können.One Another advantage can be realized that the force introduction element Having one or more flanges, whereby the forces and moments over a larger area in the Core composite structure can be initiated.
Damit das Krafteinleitungselement im Bereich der Krafteinleitungsstelle mit der gesamten Kernverbund-Struktur kraft- und formschlüssig verbunden werden kann, weist das Krafteinleitungselement Löcher zur Aufnahme der Armierungselemente auf. Dadurch kann ein Ablösen des Krafteinleitungselementes verhindert werden und die Schälfestigkeit zwischen dem Krafteinleitungselement und der Kernverbund-Struktur erhöht werden.In order to the force introduction element in the area of the force introduction point positively and positively connected to the entire core composite structure can be, the force introduction element has holes for receiving the reinforcing elements. This can cause a detachment the force introduction element are prevented and the peel strength between the force application element and the core composite structure are increased.
Muss aufgrund der technischen Anforderungen an das Kernverbund-Bauteil (z.B. Schiffsrumpf im Schiffsbau) die Durchdringung mindestens einer Deckschicht des Kernverbundes vermieden werden, kann das Krafteinleitungselement (sogenanntes Onsert) auf einer der beiden oder auf beiden Deckschichten angeordnet werden.Got to due to the technical requirements of the core composite component (e.g., ship hull in shipbuilding) permeation of at least one cover layer of the core composite can be avoided, the force application element (so-called onsert) on one or both cover layers to be ordered.
Um höhere Kräfte und Momente in die Kernverbund-Struktur einleiten zu können, kann das Krafteinleitungselement (sogenanntes Insert) auch innerhalb einer der beiden oder innerhalb beider Deckschichten angeordnet werden. Des Weiteren kann das Krafteinleitungselement zwischen den beiden Deckschichten platziert werden, wodurch teilweise oder der gesamte Kernwerkstoff durchsetzt ist.Around higher personnel and to be able to introduce moments into the core network structure the force introduction element (so-called insert) also within one of the two or disposed within both cover layers become. Furthermore, the force introduction element between the two cover layers are placed, which partially or the entire core material is interspersed.
Ein weiterer Vorteil kann durch die anwendungsbezogene geometrische und konstruktive Gestaltung des Krafteinleitungselementes erreicht werden, indem das Krafteinleitungselement einen oder mehrere an der Deckschicht oder an den Deckschichten anliegende Ansätze aufweist, wodurch die Einleitung der Kräfte und Momente infolge des größeren Hebelarms verbessert werden kann.One Another advantage may be due to the application-related geometric and achieved constructive design of the force introduction element be by the force application element one or more the cover layer or on the cover layers fitting approaches, thereby initiating the forces and moments due to the larger lever arm can be improved.
Mit
dieser Erfindung besteht für
eine Art der Krafteinleitungsstelle in Kernverbunden die Möglichkeit
der Armierung darin, dass das Kernmaterial im Bereich der Krafteinleitungsstelle
entfernt bzw. gestaucht wird und beide Deckschichten zusammengeführt werden,
so dass ein monolithischer Bereich aus Faser-Kunststoff-Verbund
vor liegt. Hierbei wird die obere Deckschicht (
Zur
Einleitung von Kräften
und Momenten kann auch ein auf die Kernverbund-Struktur aufgebrachtes Krafteinleitungselement
(Onsert,
Krafteinleitungsstellen
mit in die Kernverbund-Struktur eingebrachtem Krafteinleitungselement
(Insert,
Das
Insert (
Der
Flansch des Inserts kann zur besseren Kraft- und Momenteinleitung
in die Kernverbund-Struktur einen oder mehrere Ansätze (
Die Erfindung ist anhand von 13 Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:The Invention is based on 13 embodiments explained. Show it:
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