In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen. / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.

Kolfiberkompositer är ett av de materialsom utvecklas snabbast just nu. Analogt med att materialet blir billigare och börjar användas i större utsträckning av flygindustrin utvecklas också tillverkningsmetoder för att följa framstegen. Hur material och tillverkningsmetoder sätter krav och påverkar en produkts utformning och prestanda kan vara svårt att definiera. I detta examensarbete har en Design for Manufacturing och Assembly (DFM/A)-metod utvecklats för att under hela produktutvecklingsprocessen kunna ta hänsyn till produktionsaspekter. DFM/Ametoden är framtagen åt Saab Aerostructures med hänsyn till de material som används, deras existerande produktionsprocesser och den produktutvecklingsprocess som finns på företaget. Utifrån litteratur- och fallstudier har en DFM/A-metod som kallas Metod 2015 (M2015) utvecklats. Metoden innehåller en arbetsprocess, konstruktionsriktlinjer samt stödjande DFM/Averktyg. Genom att i hela utvecklingsprocessen ta hänsyn till produktionsaspekter är detta arbetssätt anpassat för att underlätta utveckling av kolfiberkompositkomponenter på Saab. Utöver själva metoden i sig finns allt material som behövs för användning av M2015 sammanställt i en manual som i första hand riktar sig till konstruktören. Genom att skapa en bättre förståelse för produktionsaspekterna hos en konstruktion och tillhandahålla rätt verktyg kan DFM/A-metoden bidra till flera positiva effekter. Användandet av M2015 bör leda till produkter av kolfiberkomposit som är lättare att tillverka vilket i sin tur också bör minska onödiga kostnader, ge högre kvalitet och kortare ledtider. Införandet ställer dock också krav på Saab för att dessa målsättningar ska kunna uppnås. / Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is one of the fastest developing materials right now. Analogously to the material becoming cheaper and being used more widely in the aerospace industry the manufacturing methods have developed to follow the progress. How material and manufacturing method change the requirements and affect a product's design and performance can be hard to determine. This degree project has developed a Design for Manufacturing and Assembly (DFM/A) method to easier take into consideration the production process throughout the product development. The DFM/A method is developed for Saab Aerostructures and is based on their materials, production process and product development process. By studying literature and performing case studies a DFM/A method called Method 2015 (M2015) was developed. The method includes a work procedure, design guidelines and supporting DFM/A tools. By considering the production aspects throughout the development process this method of operation facilitate the development of CFRP products at Saab. In addition to the method itself the materials needed to use M2015 is compiled in a manual for the designer. By creating a better understanding of the production aspects of a design and providing the right tools the DFM/A method can contribute to several positive effects. The use of M2015 should lead to CFRP products that are easier to produce which in turn should minimize unnecessary costs, raise the quality and shorten lead times. However, the implementation of M2015 at Saab also creates demands to reach these targets

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang

Si l'emploi des matériaux composites dans l'aéronautique est déjà effectif sur des éléments de structures principales et de grande taille, leur généralisation aux structures secondaires bute sur leur positionnement en termes de coûts et performances face aux métaux. Il s'agit dans ce travail de contribuer à la mise en place d'une filière française de pièces composites hautes performances à bas coûts en s'appuyant sur un procédé de moulage en grande série, à savoir le thermoformage à haute pression. Ainsi, il a été question dans un premier temps d'optimiser ce procédé vis-à-vis des principales matières rencontrées dans les structures aéronautiques. Ensuite, les stratifiés moulés ont été caractérisés et les effets des conditions environnementales sévères (humidité, température, impact) sur leur comportement mécanique étudiés. Par ailleurs, réduire les coûts des pièces signifie également réduire les coefficients de sécurité qui restent très élevés pour les pièces composites. Cela passe par une meilleure prédictibilité de la rupture des matériaux et du comportement mécanique au-delà du linéaire. Sur le carbone/PEEK satin de 5 pris comme matériau d'illustration, les phénomènes non linéaires (viscoplasticité) ainsi que les mécanismes d'endommagement et de rupture ont été étudiés. Un accent particulier a été mis sur le délaminage et un critère permettant de prédire son amorçage a été proposé. La possibilité de faire des modèles éléments finis des pièces directement à l'échelle mésoscopique (du pli) a été également explorée et laisse entrevoir des pistes prometteuses pour des dimensionnements plus sûrs et donc moins conservatifs. / If the use of composite materials is already effective on elements of main structures and large size parts, their generalization to secondary parts is not effective due to their cost and their performances compared to metals. The framework of this thesis is to contribute to the establishment of a French chain of high performance composite parts at low cost. Thus, it was initially question of optimizing the process vis-à-vis the main composite materials used in the aerospace structures. Then, the molded laminates were characterized and the effects of severe conditions (humidity, temperature, impact) on their mechanical behavior were studied. Also, reduce the cost of parts also means reducing the safety factors which remain very high. This requires a better prediction of the failure and the mechanical behavior beyond the linear. Taking the five harness satin weave carbon/PEEK material as example, non-linear phenomena (viscoplasticity), damage mechanisms and failure criteria were studied, with particular emphasis on the delamination. The possibility to perform finite element analysis of the parts directly at the mesoscopic scale (ply-scale) was also explored and suggests promising expectations for a less conservative sizing of composite structures.

Cílem této diplomové práce je lépe porozumět konceptu únavového poškození damage tolerance zmapováním všech možných vlivů na lomovou houževnatost vláknového kompozitu s polymerní matricí. Toho je dosaženo provedením zkoušek za různých podmínek (např. změna parametrů měření, mód zatížení, pořadí vrstev a materiál) a monitorováním odlišností v šíření trhliny. Na základě dat získaných během těchto testů je určena lomová houževnatost. Potenciální rozdíly jsou zkonzultovány a porovnány s ostatními vzorky.

Adhesive bonding which has been in use for long as a traditional joining method has gained ground in the last couple of decades due to the introduction of advanced composite materials into the aerospace industry. Bonded structures have advantages such as high corrosion and fatigue resistance, ability to join dissimilar materials, reduced stress concentration, uniform stress distribution, good damping characteristics etc. They also have certain limitations like environmental degradation, existence of defects like pores, voids and disbonds, difficulty in maintenance and repair etc. A serious drawback in the use of adhesively bonded structures has been that there are no established comprehensive non-destructive testing (NDT) techniques for their evaluation. Further, a reliable evaluation of the effect of the existing defects on strength and durability of adhesive joints is yet to be achieved. This has been a challenge for the research and development community over several decades and hence, been the motivation behind this piece of research work. Under the scope of the work carried out in the thesis, some of the primary factors such as the existence of defects, degradation of the adhesive, stress and strain distribution in the bonded region etc., have been considered to study the bond integrity in composite to composite lap shear joints. The problem becomes complex if all the parameters affecting the adhesive joint are varied simultaneously. Taking this into consideration, one of the key parameters affecting the bond quality, viz., the adhesive layer degradation was chosen to study its effect on the bonded joint. The epoxy layer was added with different, definite amount of Poly vinyl alcohol (PVA) to arrive at sets of bonded joint specimens with varied adhesive layer properties. A thorough review of different non destructive testing methods applied to this particular problem showed that ultrasonic wave based techniques could be the right choice. To start with, preliminary experimental investigations were carried on unidirectional glass fiber reinforced plastic (GFRP-epoxy) lap joints. The adhesive joints were subjected to non destructive evaluation (NDE) using ultrasonic through transmission and pulse echo techniques as also low energy digital X-ray techniques. The results obtained showed a variation in reflected and transmitted ultrasonic pulse amplitude with bond quality. Digital X-Ray radiography technique showed a variation in the intensity of transmitted x-rays due to variation in the density of adhesive. Standard mechanical tests revealed that the addition of PVA decreased the bond strength. A plot of coefficient of reflection from the first interface and the bond strength showed a linear correlation between them. After obtaining a cursory feel and understanding of the parameters involved with the preliminary experiments on GFRP adhesive joints which yielded interesting and encouraging results, further work was carried on specimens made out of autoclave cured carbon fiber reinforced plastic (CFRP)-epoxy bonded joints. Normal incidence ultrasound showed a similar trend. Analyses of the Acoustic Emission (AE) signals generated indicate early AE activity for degraded joints compared to healthy joints. Literary evidences suggest that the ultrasonic shear waves are more sensitive to interfacial degradation. An attempt was made to use oblique incidence ultrasonic interrogation using shear waves. The amplitude of reflected shear waves from the interface increased with an increase in degradation. Further, a signal analysis approach in the frequency domain revealed a shift in the frequency minimum towards lower range in degraded samples. This phenomenon was verified using analytical models. An inversion algorithm was used to determine the interfacial transverse stiffness which decreased significantly due to increase in degradation. Conventional ultrasonic evaluation methods are rendered ineffective when a direct access to the test region is not possible; a different approach with guided wave techniques can be explored in this scenario. Investigations on CFRP-epoxy adhesive joints using Lamb waves showed a decrease in the amplitude of ‘So’ mode in degraded samples. Theoretical dispersion curves exhibited a similar trend. Frequency domain studies on the received modes using Gabor wavelet transform showed a negative shift in frequency with increased degradation. It was also observed that the maximum transmission loss for the most degraded sample with 40 percent PVA occurred in the range of 650 – 800 kHz. Non linear ultrasonic (NLU) evaluation revealed that the nonlinearity parameter (β) increased with increased degradation. Kissing bonds are most commonly occurring type of defects in adhesive joints and are very difficult to characterize. A recent non-contact imaging technique called digital image correlation (DIC) was tried to evaluate composite adhesive joints with varied percentage of inserted kissing bond defects. The results obtained indicate that DIC can detect the kissing bonds even at 50 percent of the failure load. In addition, to different experimental approaches to evaluate the bonded joint discussed above, the effect of degradation on the stresses in the bond line region was studied using analytical and numerical approach. A linear adhesive beam model based on Euler beam theory and a nonlinear adhesive beam model based on Timoshenko beam theory were used to determine the adhesive peel and shear stress in the joint. Digital image correlation technique was used to experimentally obtain the bond line strains and corresponding stresses were computed assuming a plane strain condition. It was found that the experimental stresses followed a similar trend to that predicted by the two analytical models. A maximum peel stress failure criterion was used to predict failure loads. A failure mechanism was proposed based on the observations made during the experimental work. It was further shown that the critical strain energy release rate for crack initiation in a healthy joint is much higher compared to a degraded joint. The analytical models become cumbersome if a larger number of factors have to be taken into account. Numerical methods like finite element analysis are found to be promising in overcoming these hurdles. Numerical investigation using 3D finite element analysis was carried out on CFRP-epoxy adhesive joints. The adherend – adhesive interface was modeled using connector elements whose stiffness properties as well as the bulk adhesive properties for joints with different amounts of PVA were determined using ultrasonic inspection method. The peel and shear stress variation along the adhesive bond line showed a similar trend as observed with the experimental stress distribution (DIC) but with a lesser magnitude. A parametric study using finite element based Monte-Carlo simulation was carried out to assess the effect of variation in various joint parameters like adhesive modulus, bondline thickness, adherend geometrical and material properties on peel and shear stress in the joint. It was found that the adhesive modulus and bond line thickness had a significant influence on the magnitude of stresses developed in the bond line. Thus, to summarize, an attempt has been made to study the bond line integrity of a composite epoxy adhesive lap joint using experimental, analytical and numerical approaches. Advanced NDE tools like oblique incidence ultrasound, non linear ultrasound, Lamb wave inspection and digital image correlation have been used to extract parameters which can be used to evaluate composite bonded joints. The results obtained and reported in the thesis have been encouraging and indicate that in specific cases where the bond line thickness and other relevant parameters if can be maintained or presumed reasonably non variant, it is possible to effectively evaluate the integrity of a composite bonded joint.