Die numerische Simulation von Schlagschäden ist ein rechen- und zeitintensiver Prozess, aber gleichzeitig unabdingbar, um verlässliche Aussagen über das Schädigungsverhalten von Faserverbundstrukturen zu erhalten. Viele Schlag- und Schädigungsereignisse sind nicht sicherheitsrelevant, sofern sie früh erkannt und repariert werden. Jedoch sind auch wartungsrelevante Schäden mit dem menschlichen Auge von außen oft kaum erkennbar, da sie sich im Laminatinneren verbergen. Der Umstand einer äußerlich intakten Faserverbundstruktur erlaubt einen reduzierten numerischen Simulationsansatz. Das Schlagereignis wird mit modifizierten Kontaktgesetzen, welche den zeitvarianten Kontaktkraftverlauf vollständig beschreiben. Rechenintensive numerische Partikelsimulationen werden so vermieden, was Zeit und Kosten spart.
Kalibrierung des modifizierten Kontaktgesetzes
Zur Kalibrierung des modifizierten Kontaktgesetzes ist einmalig eine validierte numerische Schlagsimulation oder bevorzugt ein Schlagversuch auf eine Kraftmessdose erforderlich. Ein Mehraufwand entsteht nicht. Die Parameter von Partikelsimulationsansätzen werden ebenfalls mit diesen Versuchen bestimmt. Sie sind Teil des Standardprüfprogramms.
Das Ergebnis ist eine charakteristische Kraft-Zeit-Kurve (siehe Abbildung 1b), welche die Nachgiebigkeit des Projektils unter Schlagbeanspruchung beschreibt. Sie lässt sich direkt aus dem gemessenen oder simulierten Kontaktkraftzeitverlauf ableiten. Die resultierende Kurve ist entweder konstant (Starrkörper) oder eine zeitvariante Sigmoidfunktion. Diese Modifikation erlaubt eine Berechnung von zeitvarianten Kraftverläufen mit sich zerstörenden Projektilen mit den Grundgleichungen des Kontaktgesetzes.
Der klassische Fall entspricht dem konstanten Starrkörperfall. Die Sigmoidfunktion ist in Grenzen invariant gegenüber Massen- und Geschwindigkeitsänderungen. Somit können auch Schlagereignisse mit höheren Projektilmassen und initialen Geschwindigkeiten mit dem einmalig kalibrierten Ansatz gerechnet werden. Der Ansatz ist verifiziert und validiert für spröde, zerstörbare Projektile in luftfahrtrelevanten Schlagenergiebereichen mit publizierten Literaturquellen.
Anwendung in kommerzieller Berechnungssoftware
Die getroffenen Annahmen erlauben eine vereinfachte Simulation von einzelnen oder multiplen Schlagereignissen auf Metall- und Verbundstrukturen. Auf eine explizite Modellierung der Projektile wird verzichtet, die zeitvarianten Kraftverläufe werden als Punkt- oder Flächenlast über entsprechende Programmierschnittstellen als FORTRAN-Bibliothek eingebunden. Die Modellierung reduziert sich auf die Definition eines Netzknotens als Schlagzentrum. Das Konzept eignet sich besonders für Parameterstudien im Vorentwurf, zur Beschreibung von probabilistisch gestreuten Schlagereignissen und zur effizienten inversen Bestimmung von Schlagschäden bei bekannten Schlagparametern wie Kontaktzeit und maximale Kraftamplitude. Letzteres hilft aktiven Strukturüberwachungssystemen (SHM) bei der Früherkennung von wartungsrelevanten Schäden im laufenden Betrieb.
Danksagung / Acknowledgement
This project has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertaking under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under H2020-CS2-CPW01-2014-01.
