VDI 2014 Blatt 2-1993 Development of FRP components (fibre reinforced plastics) concept and design.pdf

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1、DK 678.026:677.521:161.1:624.0762.002.2 :678.029.4 :621 .88.084(083.1 32) VDI-RICHTLINIEN September 1993VEREINDEUTSCHERINGENIEUREEntwicklung von Bauteilenaus Faser-Kunststoff-VerbundKonzeption und GestaltungVDI 2014Blatt 2Development of FRP components(fibre reinforced plastics)Concept and DesignInha

2、St SeiteVorbemerkung 21 Anwendungsbereich 22 Abkrzungen, Begriffe und Symbole 22.1 Abkrzungen, Begriffe . 22.2 Symbole, Zeichen 22.3 Indizierung 32.4 Basiswerte, Dimensionen 43 Bauteiientwicklungsablauf 44 Anforderungsliste und Auslegungskonzept 54.1 Anforderungen 54.2 Auslegungskonzepte 55 Konstruk

3、tive Gestaltung von FKV-Bauteilen 65.1 Allgemeines 65.2 Tragwerkselemente 75.3 Gestaltung von Stabelementen(Seil, Stab, Gurte von Balken) 75.4 Gestaltung von Flchenelementen(Membran, Scheibe, Platte, Schale) 85.5 Gestaltung von komplexen trger- und wellenfrmigen Bauteilen 85.6 Gestaltung von behlter

4、frmigen Bauteilen 95.7 Gestaltung von schalenfrmigen Bauteilen 105.8 Gestaltung von Krafteinleitungen 105.8.1 Klebung 105.8.2 Krafteinleitungen durch Reibung (z.B. Schrumpfsitz)und Klemmung 115.8.3 Krafteinleitung durch Lochleibung 115.8.4 Krafteinleitung durch Schlaufen 118 Verfahrens- und herstell

5、ungsbedingte Gestaltungsprinzipien . 126.1 Verfahrensgerechtes Konstruieren 126.2 Herstellungsgerechtes Konstruieren 13VDI -Gesellschaft KunststofftechnikVDI-Handbuch KunststofftechnikB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsColle

6、ction - Stand 2016-11-2- VDI 2014 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993VorbemerkungDie Richtlinie enthlt Empfehlungen fr das Entwik-keln von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden(FKV), die aus einzelnen faserverstrkten Schichtenbestehen, bei denen Fasern in

7、einer Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Bauteilentwicklung wirddargestellt, wobei die Berechnungen eingehender behandelt werden. Die RichtHnie will durch Systematisieren und Vereinheitlichen der Bauteilauslegungund -dimensionierung auch die Zulassungsverfahrenund die Qualittssicherung erleicht

8、ern. Sie ist in vierTeile gegliedert:Blatt 1 GrundlagenBlatt 2 Konzeption und GestaltungBlatt 3 BerechnungBlatt 4 Zuverlssigkeit und Sicherheitber die Ausgangswerkstoffe geben Auskunft:VDI 2010 Faserverstrkte ReaktionsharzformstoffeBlatt 1 Grundlagen. Verstrkungsfasernund ZusatzwerkstoffeBlatt 2 Ung

9、esttigte Polyesterharze (UP-Harze)Blatt 3 Epoxidharze (EP-Harze)Fr Bauteile aus Glasfaser-Kunst Stoff-Verbund(GFK) liegen vor:VDI 2011 Faserverstrkte Reaktionsharzformstoffe; Verarbeitungs verfahrenVDI 2012 Gestalten von Werkstcken aus GFKVDI 2013 Dimensionierung von Bauteilen ausGFK1 Anwendungsbere

10、ichDie Richtlinie 2014 Blatt 2 beschreibt die Konzeption und die Gestaltung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), wie sie bei der Entwicklung solcher Bauteile zu bercksichtigen sind.2 Abkrzungen, Begriffe und Symbole2.1 Abkrzungen, BegriffeFVLFVWG-ESGFKHMHST, HTILSILSSIMKOSES-KOSSV-KOS

11、P-ESPEEKR-GlasS-GlasSVUP-HarzUHMVMW-ESZFBF aser-V erbund-LeichtbauFaser-Verbund-Werkstoffe mit beliebiger Matrix; bei polymerer Matrixsind gebruchliche Abkrzungen:CFK Carbon-Faser-KunststoffGFK Glasfaser-Kunststoffgewebeverstrkte EinzelschichtGlasfaser-KunststoffKohlenstoffasersorte (Hochmodul-)Kohl

12、enstoffasersorte (hochfest)interlaminare Schubspannunginterlaminare SchubfestigkeitKohlenstoffasersorte (mittlerer Modul)KoordinatensystemKoordinatenbez.: 1, 2, 3 (1 |, 2 J_ zurFaser)Koordinatenbez.: x, y, z (im unverformten Bauteil)rj, C ( verformten Bauteil)parallelfaserverstrkte Einzelschicht(frh

13、er UD-Schicht)Polyetheretherketon (Thermoplast)GlasfasersorteGlasfasersorteSchichtenverbundungesttigtes PolyesterharzKohlenstoffasersorte(Ultra-Hochmodul-)V er Strkungsmaterialwirrfaserverstrkte EinzelschichtZwischenfaserbruchFiiAFK Aramidfaser-KunststoffCFK Kohlenstoffaser-Kunststoff Gi2(Carbon-Fas

14、er-Kunststoff)CLT klassische Laminattheorie K(engl. : classical laminate theory) kE-Glas Glasfaserorte mE-Modul ElastizittsmodulEP-Harz Epoxid-HarzES Einzelschicht 1,2(1=, 2=1 zur Faser) MFB Faserbruch RhFKV Faser-Kunststoff-Verbund2.2 Symbole, ZeichenII in (parallel) zur FaserrichtungJL quer (senkr

15、echt) zur Faserrichtung:= definiert als lateinisch proj. projizierte FlcheKraftElastizittsmodul der ES in Faserrich-tung(li)Elastizittsmodul der ES quer zurFaserrichtung (J_)Schubmodul in/quer zur Faserrichtung (|, 1)Kompressionsmodullaufender Schicht-IndexMasseFlchenmasse (flchenbezogeneMasse in kg

16、/m)BiegemomentTorsionsmoment1 Festigkeiten in Faserrichtung (Zug,Druck)B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993 VDI2014 Blatt 2 -3-pz o

17、d22 22 Festigkeiten quer zur Faserrichtung(Zug, Druck)Schubfestigkeit in/quer zur FaserrichtungWanddicke der fe-ten ESWanddicke des SVgeometrische WanddickeErsatzwanddickefeste Definition eines SV-Aufbaues(20%, 0770% Richtungsanteile in einem SV45710%,90)0/ + 60/ 60 quasi-isotroper SV12hthte0/90 gri

18、echisch aK“12? 21Winkel der FaserorientierungGewebekorrekturfaktorQuerkontraktionszahlen, der erste In-Weitere gebruchliche Codierungsmglichkeiten sind:(20/70/10) (O7 45790)-Richtungsanteile in einem SV, wobei z.B. (20/70/10): = schubsteif und (70/20/10): =dehnsteif sind(20/10/35/35) kodierte Richtu

19、ngsanteile des obigen schubsteifenSV in den USA: (07907 -F 457 - 45).Ebenfalls kodiert in den USA sind (O7+6O7 60). Hiermit Verwechslungsgefahr zur deutschen Kodierung0/90 feste Definition eines SV-Aufbaues mit 0- und90-Schichtendex bezeichnet die Richtung der Kontraktion, der zweite die der Spannun

20、gsursacheQ Dichte(Ji 1 , 0-22 Spannungen in der ESTi2 Schubspannung in der ES(p Faservolumengehalt2.3 IndizierungIndizes werden in der Regel tiefer gestellt, z.B.b Biegungd Druckf Faserm Matrix, MitteM Moisture (Feuchte)s SymmetrieT Temperatur (tiefgestellt)Transponierte (hochgestellt)z ZugMehrfachi

21、ndizierungenDie tiefgestellten Indizes kennzeichnen den Ort, dieSchnittflche oder die Richtung. Die hochgestelltenIndizes kennzeichnen die Beanspruchungsart Zug,Druck, Biegung (z, d, b) sowie Temperatur undFeuchte. Doppelindizierungen sind:P-ES G-ESb) k-te ESES-KOSBild 1. Darstellung von Einzelschic

22、hten (ES) und einem Schichtenverbund (SV)a) Verschiedene Einzelschichten; im allgemeinen ist die Kettrichtung in Richtung 1 (0-Richtung)b) Einzelschicht (P-ES), entnommen aus einem SV mit positiver or-Winkel-Orientierungc) Schichtenverbund aus parallelfaserverstrkten Einzelschichten (P-ES) unterschi

23、edlicher FaserorientierungB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-4- VDI 2014 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1993Bild 2. Spannungen und KOSa) in einem SVb) in ein

24、er P-ES Ort/Ursache Schnittflche/Richtung(Bild 1, Bild 2) Zeile/SpalteDie Zahlenwerte sollten nach dem metrischenMasystem mglichst als Vielfaches von 10, 10,10“, 10“ angegeben werden.Dimensionslos: 0,001 = l%o (ersteres bevorzugt)2.4 Basiswerte, DimensionenKraftLngeFlcheSpannungModulDichteMasseNmm,

25、mmm, mN/mmGPa = 10 MPa = 10 N/mmMg/m(=g/cm)kg3 BauteilentwicklungsablaufBeim Entwurf von Bauteilen aus herkmmlichenWerkstoffen gengt es vielfach, die Funktionsfhigkeit allein durch einen rechnerischen Nachweis zubelegen. Bei Leichtbauteilen gibt es viele Zonen, vorallem in Krafteinleitungs- und Kraf

26、tberleitungsbe-Konstruktion Versuchzeichnerische Darstellung Strukturanalyse Art der Tests benutzteTestkrperIdeenskizzen VordimensionierungJKonzeptentwurfJ/,/VorentwurfsschleifenVersuchsplanund -auswertung/vorlufiger /Entwurf /Dimensionierungj Werkstoff-,j Machbar- i keitstests,. ProbekrperAusarbeit

27、ungLVersuchsplanund -auswertungEntwicklungstestModell,Prototyp,KomponenteSchluentwurf1 rechnerischerNachweis/eventuelleKorrekturenLVersuchsplan undNachrechnung desQualifikationsbauteilsQualifikationsTestsQualifikationsbauteilVersuchsnach weisQualifikationsunterlagen des Serien-Bauteils 7IVBauab weic

28、hungen Produktannahmetests SerienbauteilBild 3. Vorgehensplan in der BauteilentwicklungB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993 VDI 201

29、4 Blatt 2 -5-reichen, wo auer einer aufwendigen Berechnungauch Versuche durchgefhrt werden mssen. BeiFKV-Bauteilen kommt hinzu, da die Eigenschaftendes FKV erst bei der Herstellung des Bauteils entstehen und somit stark von den Herstellbedingungenbeeinflut werden. Dabei kommt es zu einer engenVerknp

30、fung von Fertigung, Konstruktion und Versuch.Die Versuche erfllen im wesentlichen folgende Aufgaben: Entwick- Besttigung der Rechenmodellelungstests Qualifika- Verifizierung des Bauteilstionstests Produktan- Nachweis der FertigungsquaUttnahmetest des einzelnen Bauteils.Die verschiedenen Phasen mit d

31、en entsprechendenAufgaben einer Bauteilentwicklung sind in Bild 3dargestellt, vom Konzept ber die Schleife BerechnungVersuch bis zur Fertigung eines (Serien-)Bau-teils.In speziellen Anwendungsfllen, insbesondere in derLuft- und Raumfahrt, wird gefordert, da im Anschlu an die Entwicklungsversuche sog

32、. Qualifikationsversuche durchgefhrt werden, d.h. die Versuchsbauteile werden nach vorher festgelegten Fertigungsanweisungen und Zeichnungssatz gefertigt undnach festgelegten Prfnormen geprft, wobei dieQualittssicherung eingeschaltet werden mu.Rahmenbedingungen Gewicht Geometrie, Raumeinhllende,Schw

33、erpunktlage Oberflchenstruktur, Aussehen Kosten und Termin Umweltvertrglichkeit, RecychngEinwirkungen (generell) Ruhende und vernderliche Lasten(Schlagenergie) Setzungen und Zwngungen Temperaturbereich und Gradient(Ruhe und Betrieb) Feuchte (Sttigungs-, Gleichgewichtsfeuchte) Chemikalieneinwirkung S

34、trahlung BHtzschlagGeforderte Eigenschaften Erlaubte Verformungen Lebensdauer Einzuhaltende Anschlusteifigkeiten Eigenfrequenzen, Dmpfung Massentrgheitsmomente Elektrische Anforderungen(leitend, magnetisch) Wrmedehnung, -leitung (gut, schlecht) Brennbarkeit Toxizitt Ausgasrate, Permeationsrate Erosi

35、on4 Anforderungslisteund AuslegungskonzeptBei der Entwicklung eines Bauteils sind Spezifikationsanforderungen zu erfllen und Zielvorgaben zuerreichen, wie in diesem Abschnitt gezeigt wird.4.1 AnforderungenFr die Auslegung von Bauteilen aus FKV ist esnotwendig, die Anforderungen bezglich der Temperat

36、ur- und Feuchteeinwirkungen umfassender als beiMetallen zu erstellen. Eine relativ umfassende Anforderungsliste wird durch die folgenden drei Gruppendargestellt :Besonderes Augenmerk verdienen die Lasteinwirkungen. Sie bewirken im Bauteil Krfte und Momente. Die Einwirkungen treffen auf die uereOberf

37、lche des Bauteils, z.B. als Folge von Druck,Verkehrslast, oder auch auf sein Volumen, z.B. infolge Eigengewicht, Fliehkraft, trger Masse. Es knnen dabei auch innere Krfte ohne uere Kraft auftreten, z.B. infolge von Temperaturzwngen,Feuchte- oder Fertigungseigenspannungen (aus Matrixschrumpf und Abkh

38、lung auf Raumtemperaturnach dem Aushrten).4.2 AuslegungskonzepteWesenthch fr die Dimensionierung des Bauteils istdas benutzte Auslegungskonzept oder die Art desgewnschten Konstruktionstypes. Laut Bild 4unterscheidet man im wesentlichen das Konzept derLebensdauersicherheit (Schadensfreies Leben : =Sa

39、fe-Life) und das Konzept der Schadenstoleranz.Eine schadenstolerante Konstruktion kann die vor-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-6- VDI 2014 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingeni

40、eure, Dsseldorf 1 993Bild 4. Konstruktionstypen nach Zocher (VDI-BerIchte 307.Dsseldorf: VDI-Verlag 1978)geschriebene Bemessungslast (sog. Sichere Last : =Design Limit Load) trotz vorhandener Schden,z.B. aus Ermdung im Betrieb, oder auch aus Fertigung so lange ertragen, bis der Schaden entdecktund r

41、epariert ist (gilt fr definierte Belastungen innerhalb festgelegter Zeitrume). Dabei kann eine schadenstolerante Konstruktion entveder durch eineausfallsichere Konstruktion oder durch eine Konstruktion mit einem langsamen Rifortschritt (Schdigungsfortschritt) erreicht werden. Mglich ist aucheine Kom

42、bination beider Typen.Eine Konstruktion mit langsamem Rifortschrittkann sowohl durch eine Mehrwegkonstruktion alsauch durch eine ristoppende Konstruktion erreichtwerden. Bei der Mehrwegkonstruktion wird derKrfteflu durch mehrere getrennte Konstruktionselemente bertragen, so da bei Ausfall eines dies

43、erElemente die Krfte von den brigen Elementen aufgenommen werden. Bei der ristoppenden SV-Konstruktion wird ein vorhandener Anri an einer definierten Stelle gestoppt, so da eine weitere Riausbreitung (Schdigungsfortschritt) unterbunden wirdoder zumindest nur sehr langsam erfolgt.Bei der Schadenstole

44、ranz ist also die Redundanz derLastwege fr das Tragverhalten von Bedeutung. Redundanz ist bei FKV-Bauteilen wie bei metallischenTragstrukturen systembedingt und liegt beim SVschon im Querschnitt vor.Ziel bei der Bauteilgestaltung ist es, einen Entwurfzu finden, der einen ausgewogenen Kompromi zwisch

45、en hohem technischen Wert und hohem wirtschaftlichen Wert bei vertretbarem Risiko darstellt.Anerkannte Methoden der Wertanalyse werden bH-cherweise sowohl bei der detaillierten Gestaltungeines jeden Entwurfes als auch bei seiner Auswahlaus einer Gruppe von Entwrfen angewandt. EinBeispiel des Zusamme

46、nwirkens von technischem undwirtschaftlichem Wert mit der Risikoabschtzungzeigt Bild 6. Diese Betrachtungsweise gilt fr alleArten der Gestaltung, also auch fr die FKV-Bau-weise. Gerade in diesem Bereich erlangt die Risikobetrachtung besonderes Gewicht. Durch die vielfltigenAuswahlmglichkeiten von He

47、rstellprozessen undFaseranordnung ist die Anzahl der zu beachtendenParameter weitaus grer als z.B. bei metallischenWerkstoffen.Da hufig technisch gute“ Merkmale wirtschafthchschlecht“ (teuer) sind, knnen Gestaltungsmerkmaleim folgenden nur mit der Einschrnkungder wirtschaftliche Wert und das Risiko

48、sind frjeden Anwendungsfall mitzubetrachtenals vorteilhaft“ oder nicht vorteilhaft“ bezeichnetwerden.Fundus 1bekannteAnforderungentechnischeAnforderungenz. B. Masse SteifigkeitwirtschaftlicheAnforderungenz.B. Werkstoffkosten WerkzeugkostenRisikoAbwgungz.B. Termine frEntwicklungFundus 2GestaltungbekanntesWissenz.B. Kennwerte Rechenverfahren Herstellverfahren Verfgbarkeit vonWerkstoffen Kontrollverfahrengeeignet gestalteter EntwurfBild 5. Einflsse bei der Bauteilgestaltung5 Konstruktive Gestaltungvon FKV-Bauteiien5.1 AllgemeinesDie konstruktive Gestaltung nimmt im Entwicklun