Fiedler, BodoBodoFiedler1202622580000-0002-2734-1353Kötter, BenediktBenediktKötter2021-12-062021-12-062021Technisch-wissenschaftliche Schriftenreihe / TUHH Polymer Composites (40) : (2021)http://hdl.handle.net/11420/11134Um das Gewicht von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen weiter zu reduzieren, ist es notwendig das volle Potenzial der Kohlenstofffasern auszunutzen. Ein möglicher Ansatz besteht in der Verringerung der Schichtdicke. Eine Reduzierung erhöht den Freiheitsgrad im Design und steigert die Zug- und Druckfestigkeiten. Allerdings führt dieses zu einer erhöhten Kerbempfindlichkeit und vorzeitigem Versagen in Bereichen von hohen Spannungskonzentrationen. Bei dem Einsatz von dünnen Schichtdicken in Strukturbauteilen muss dementsprechend ein Kompromiss eingegangen werden. Aus diesem Grund wird in dieser Thesis folgende Forschungshypothese untersucht: Thin-Ply Verbundwerkstoffe steigern das Leichtbaupotenzial von Primärstrukturen Vier Einschränkungen hinsichtlich des Einsatzes von Thin-Ply Verbundwerkstoffen in Primärstrukturen werden innerhalb dieser Arbeit identifiziert und Arbeitsannahmen formuliert, welche experimentell untersucht werden: 1. Die lokale Einbettung von Edelstahlfolien (Hybridisierung) in Thin-Ply Laminaten reduziert die Auswirkungen von Spannungskonzentrationen sowie die Festigkeitsdegradation 2. Die Belastbarkeit von Bolzenverbindungen wird durch lokale Stahlhybridisierungen von Thin-Ply Laminaten erhöht 3. Eine Reduzierung der Schichtdicke verbessert das Verhalten unter zyklischer Belastung 4. Das Ermüdungsverhalten von einer durch einen Schlagschaden geschädigten Struktur wird durch eine Verringerung der Schichtdicke verbessert Um die Auswirkungen von Spannungskonzentrationen zu reduzieren und die Belastbarkeit von Bolzenverbindungen zu verbessern, werden 90° CFK-Lagen lokal durch Edelstahlfolien substituiert. Die Zugfestigkeit von gekerbten Proben nimmt mit zunehmendem Stahlanteil signifikant zu. Die Festigkeit normiert auf die Dichte, spezifische Festigkeit, steigt um bis zu 36 % an und die Kerbempfindlichkeit sinkt. Die Belastbarkeit von Bolzenverbindungen steigt um 54,6 % an. Grund hierfür ist die stützende Wirkung der Stahlfolien gegen Ausbeulen und Knicken. Ermüdungsversuche wurden mit und ohne Schlagschädigung bei unterschiedlichen Lastverhältnissen durchgeführt. Durch die Reduzierung der Schichtdicke kann eine Verbesserung des Langzeitverhaltens unabhängig vom Lastverhältnis erreicht werden. Die Ergebnisse der mit Schlagschaden behafteten Proben zeigen, dass die Schichtdicke, die Form der Delaminationen sowie die Dicke und der Aufbau der Sublaminate entscheidend für das Langzeitverhalten sind. Computertomografie-Aufnahmen zeigen, dass die geschädigten Bereiche von Thin-Ply Proben unter Ermüdungsbelastung nicht zunehmen. Im Gegensatz dazu wächst die Schädigung von Thick-Ply Proben mit zunehmender Zyklenzahl progressiv bis zum Versagen an. Die Ergebnisse zeigen, dass Thin-Ply Verbundwerkstoffe das Leichtbaupotenzial von Primärstrukturen verbessern und die Forschungshypothese verifiziert werden kann.To decrease the weight of composite structures further, it is essential to develop a method to exploit the full potential of carbon fibres. One approach is to reduce the layer thickness. As a result, the degree of freedom in design and the tensile and compressive strength increases. However, the use of thinner layer thicknesses leads to a higher notch sensitivity and premature failure in areas of high stress concentrations. Unfortunately, concerning structural applications, a compromise has to be made. Therefore, this thesis examines the research hypothesis: Thin-Ply composites improve the lightweight potential of primary structures Four limitations regarding the use of Thin-Ply composites in primary structures were identified, and working assumptions were formulated, which were investigated experimentally: 1. Local steel hybridisation of Thin-Ply laminates reduces the impact of stress concentrations and strength degradation 2. Local steel hybridisation of Thin-Ply laminates improves load-bearing capacity 3. Reducing the layer thickness improves the durability under fatigue loading 4. Reducing the layer thickness improves the fatigue behaviour of structures with impact damage To reduce the impact of stress concentrations and improve the bearing strength 90° CFRP layers are substitute locally by stainless steel foils. The open hole tensile strength increases significantly with increasing steel content. Even if the strength is related to the density, the specific strength increases by up to 36 % and the notch sensitivity decreases. The bearing strength increases by 54.6 % due to the buckling support of the steel foils. Fatigue tests were carried out with and without impact damage under different load ratios. Reducing the layer thickness and improving long-term behaviour can be achieved independent of the load ratio. The results of the impacted samples show that the layer thickness, the shape of the delaminations and the thickness and structure of the sub-laminates are decisive for the long-term behaviour. Computed tomography images show that the damaged areas of Thin-Ply samples do not increase during fatigue loading. In contrast, the damage of Thick-Ply samples growths progressively throughout the whole sample with increasing numbers of cycles until final failure. In summary, the research hypothesis can be verified, and Thin-Ply composites improve the lightweight potential of primary structures.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Thin-PlyFatigueCFRPHybrid materialimpactIngenieurwissenschaftenDoctoral Thesis10.15480/882.394910.15480/882.3949Dransfeld, ClemensClemensDransfeldOther