Stark formbare Wabenkerne als Kernschicht geformter Sandwichbauteile finden in vorteilhafter Ausführung bisher lediglich Verwendung in kostenintensiven Anwendungen mit hoher Leistungsklasse. Für eine weite Verbreitung der kombinierten Leichtbauweise fehlen bisher kostengünstige Wabenkerne, die die Formung schadlos überstehen und so ihre Verbundeigenschaften auch im geformten Bauteil aufweisen. Die vorliegende Arbeit befasst sich zunächst mit der Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung eines formbaren Papierwabenkerns mit vorgegebener Zellstruktur. Nach dem Funktionsnachweis erfolgt ein Anforderungsabgleich, welcher zeigt, dass eine kostengünstige Herstellung nicht realisierbar ist. Nach Diskussion folgt der Entschluss, den größtmöglichen iterativen Schritt beim Konstruktiven Entwicklungsprozess zu gehen und das gesamte Verfahren als nicht anforderungsgerecht einzustufen. Zugleich wird die vorgegebene Zellstruktur hinterfragt. Darauf basierend erfolgt eine umfangreiche Recherche zu Wabenkernherstellungsverfahren und formbaren Wabenkernen. Aus Letzterem werden sieben Gestaltungselemente abgeleitet, die zur Formbarkeit führen. Mit dieser Kenntnis wird der Entwicklungsprozess erneut durchlaufen. Die Zellstruktur ist dabei nicht definiert, sondern lediglich die zu erzielenden Eigenschaften, wodurch eine möglichst geeignete Produkt-Verfahrenskombination ermittelt werden soll. U. a. resultiert ein Flexibilisierungsverfahren, bei dem gängige Hexagonalwabenkerne aus Papier in einem zusätzlichen Schritt umgeformt werden und so die geforderte Formbarkeit erlangen. Nach der Entwicklung und dem Funktionsnachweis mit einer Prototypenmaschine erfolgt die Weiterentwicklung des Verfahrens. Mit einer Laborversuchsmaschine werden wesentliche Steuergrößen ermittelt, das Wirkprinzip diskutiert, ein erstes Verarbeitungsspektrum erprobt sowie ein Verfahren zur optischen Erfassung von Wabenkernzellstrukturen entwickelt. Letzteres dient der Charakterisierung von Wabenkernen und, speziell beim flexibilisierten Wabenkern, der Vorhersage des Formänderungsvermögens. Abschließend werden wesentliche Verbundeigenschaften eines flexibilisierten Referenzwabenkerns seiner gängigen hexagonalen Form gegenübergestellt und exemplarisch erste Musterformteile gefertigt. Im Rahmen der Arbeit werden entwicklungsübergreifende Forschungsfragen aufgestellt, die anhand gewonnener Erkenntnisse diskutiert werden.:1Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 2.1 Wabenbauweise 2.2 Schalenbauweise 2.3 Wabenformteile 2.4 Geschichte der Waben- und Schalenbauweise 2.5 Wabenkerne - Kategorisierung, Aufbau und Terminologie 2.6 Wabenwerkstoffe - insbesondere Papier 2.7 Ausgewählte Einflüsse auf Wabenkerneigenschaften 2.8 Herstellung von Wabenkernen 2.8.1 Wellprinzip 2.8.2 Reckprinzip 2.8.3 Zellgrundformen sowie Anwendbarkeit des Well- und Reckprinzips 2.9 Formbare Wabenkerne 2.9.1 Papierwabenkerne in Wabenformteilen 2.9.2 Gestaltung und Klassifizierung formbarer Wabenkerne 2.9.3 Herstellung zellstrukturbedingt formbarer Wabenkerne 2.10 Herstellungsaufwand, Leistungsfähigkeit und Kosten 3 Präzisierte Zielstellung und Vorgehensweise 4 Verfahrensentwicklung – Herstellung einer geometrisch definierten Zellstruktur 4.1 Ausgangssituation 4.2 Weiterentwicklung des Herstellungsverfahrens 4.2.1 Vervollständigung des Herstellungsverfahrens 4.2.2 Neuentwicklung Formvorrichtung 4.2.3 Entwicklung Formbaugruppe 4.2.3.1 Fertigung und Erprobung von Formschienen und -baugruppen 4.2.3.2 Entwicklung vorteilhafter Formschienenkonturen 4.2.3.3 Potentiell vorteilhafte Formbaugruppe 4.2.4 Entwicklung Trenn- und Fügemaschine 4.3 Bewertung der Entwicklung und Diskussion 5 Verfahrensentwicklung – Flexibilisierung zum formbaren Wabenkern 5.1 Angepasste Zielstellung und Vorgehensweise 5.2 Ermittlung eines Vorzugsprinzips 5.2.1 Ermittlung geeigneter Lösungsräume 5.2.2 Ermittlung geeigneter Verfahrensprinzipe 5.2.3 Bewertung der Verfahrensprinzipe 5.3 Entwicklung des FlexCore-Verfahrens 5.3.1 Entwicklung FlexCore-Prototyp 5.3.2 Funktionsnachweis 5.3.3 Weitergehende Erprobung 5.4 Bewertung des Flexibilisierungsverfahrens FlexCore 6 Ausarbeitung FlexCore-Verfahren 6.1 Identifizieren verbleibender Entwicklungsschwerpunkte 6.2 Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung von Wabenkern-Zellstrukturen 6.2.1 Konkretisierung der Entwicklungsaufgabe 6.2.2 Ermittlung einer Methode zur Zellstrukturerfassung 6.2.3 Entwicklung eines mobilen Prüfstandes zur Zellstrukturerfassung 6.2.4 Erarbeitung und Erfassung potentiell charakteristischer Kenngrößen 6.3 Maschine für wissenschaftliche Untersuchungen 6.3.1 Maschinenentwicklung 6.3.2 Maschinenerprobung 6.4 Identifizierung charakteristischer Kenngrößen flexibilisierter Zellstrukturen sowie wesentlicher Verfahrenssteuergrößen 6.4.1 Versuchsplanung und -durchführung 6.4.2 Prüfung des Formänderungsvermögens formbarer Wabenkerne 6.4.3 Bestimmung charakteristischer Kenngrößen 6.4.4 Bestimmung wesentlicher Steuergrößen des FlexCore-Verfahrens 6.5 Rückschlüsse zur Funktionsweise des Wirkprinzips 6.6 Erste Erprobung des Verarbeitungsspektrums 6.7 Stützstoffeigenschaften flexibilisierter Wabenkerne 6.7.1 Geometrie- und Masseeigenschaften 6.7.2 Druckeigenschaften - unstabilisiert 6.7.3 Druckeigenschaften - stabilisiert 6.7.4 Schubeigenschaften 6.8 Exemplarische Musterfertigung von Wabenformteilen 7 Zusammenfassung und Ausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Quellen Anlagen

Honeycomb core sandwich panels are widely used in the aeronautic industry due to their excellent flexural stiffness to weight ratio. Generally, classical homogenized model is used to model honeycomb core sandwiches in order to have an efficient but not expensive numerical modeling. However, previous works have shown that, while the homogenized models could correctly represent the membrane waves' behavior of sandwiches in a large frequency range, they could not give satisfying simulation results for the flexural waves' behavior in the high frequency range (HF). In fact, the honeycomb core layer plays an important role in the propagation of the flexural waves, so that when the involved wavelengths become close to the characteristic lengths of honeycomb cells, the cellular microstructure starts interacting strongly with the waves and its effect should no longer be neglected, which is unfortunately not the case of the homogenized models. In the present work, we are interested in improving the theoretical and numerical analysis of HF elastic waves' propagation in honeycomb core sandwich panels by a numerical approach based on the Bloch wave theorem, which allows taking into account the periodic characteristics of the honeycomb core. In fact, by decomposing non-periodic wave solutions into their periodic Bloch wave basis modes, numerical models are defined on a basic cell and solved in a efficient way, and provide a better description and so a better understanding of the interaction between HF wave propagation phenomena and the periodic structures. Our numerical approach is developed and validated in the cases of one-dimensional periodic beam structures, of two-dimensional periodic hexagonal and rectangular beam structures and of honeycomb core sandwich plates. By solving the eigenvalue problem of the Bloch wave modes in one primitive cell of the periodic structure for all the wave vectors located in the corresponding first Brillouin zone in the phase space, the dispersion relation between the wave vector and the eigenvalue is calculated. The analysis of the dispersion relation provides important results such as: the frequency bandgaps and the anisotropic and dispersive characteristics of periodic structures, the comparison between the first Bloch wave modes to those of the classical equivalent homogenized models and the existence of the retro-propagating Bloch wave modes with a negative group velocity.

A better understanding of the effect of impact damage on composite structures is necessary to give the engineer an ability to design safe, efficient structures. Current composite structures suffer severe strength reduction under compressive loading conditions, due to even light damage, such as from low velocity impact. A review is undertaken to access the current state-of-development in the areas of experimental testing, and analysis methods. A set of experiments on Nomex honeycomb core sandwich panels, with thin woven fiberglass cloth facesheets, is described, which includes detailed instrumentation and unique observation techniques. These techniques include high speed video photography of compression after impact (CAI) failure, as well as, digital image correlation (DIC) for full-field deformation measurements. The effect of nominal core density on the observed failure mode is described. A finite element model (FEM) is developed to simulate the experiments performed in the current study. The purpose of this simulation is to predict the experimental test results, and to conrm the experimental test conclusions. A newly-developed, commercial implementation of the Multicontinuum Failure Theory (MCT) for progressive failure analysis (PFA) in composite laminates, Helius:MCT, is included in this model. The inclusion of PFA in the present model gives it the new, unique ability to account for multiple failure modes. In addition, significant impact damage detail is included in the model as a result of a large amount of easily available experimental test data. A sensitivity study is used to assess the effect of each damage detail on overall analysis results. Mesh convergence of the new FEM is also discussed. Analysis results are compared to the experimental results for each of the 32 CAI sandwich panel specimens tested to failure. The failure of each specimen is accurately predicted in a high-fidelity, physics-based simulation and the results highlight key improvements in the understanding of honeycomb core sandwich panel CAI failure. Finally, a parametric study highlights the strength benefits compared to mass penalty for various core densities. / Ph. D.

Des panneaux sandwichs en nid d'abeilles sont largement utilisés, notamment dans l’industrie aérospatiale et aéronautique, à cause du très bon rapport entre rigidité en flexion et poids. Concernant leur modélisation, ils sont considérés classiquement comme de milieux homogénéisés équivalents afin d'éviter des modèles numériques prohibitifs en coûts de calculs. Cependant, des travaux précédents ont montré que, si le comportement dynamique en membrane des sandwichs peut être correctement représenté par des modèles homogénéisés classiques dans une large gamme de fréquences, ces mêmes modèles ne permettent malheureusement pas de bien décrire le comportement en flexion dans le domaine de hautes fréquences (HF). En effet, la couche centrale en nid d'abeilles joue un rôle important dans le comportement en flexion du sandwich, il est donc indispensable de la modéliser de manière appropriée. Or, lorsque les longueurs d’onde impliquées deviennent aussi petites que les longueurs caractéristiques des cellules du nid d’abeilles, cette microstructure cellulaire interagit fortement avec les ondes et génère des effets d’interaction non négligeables, qui ne sont malheureusement pas pris en compte par des modèles homogénéisés classiques. Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse donc à l'amélioration de l’analyse théorique et numérique de la propagation d’ondes élastiques HF dans ces panneaux composites. On exploite les caractéristiques périodiques du nid d'abeilles en utilisant sur une approche numérique basée sur la théorie des ondes de Bloch. En effet, en décomposant des solutions non périodiques sur une base composée de modes périodiques de Bloch, il est possible de développer des modèles numériques, qui considèrent des phénomènes de propagation des ondes à l’intérieur d’une seule cellule de base et captent toutes les interactions. Ces modèles numériques sont donc de taille raisonnable, par rapport aux dimensions souvent très importantes des structures industrielles. Des analyses théoriques et des outils de modélisation ont été développés pour des milieux périodiques composés de structures minces : poutres ou plaques. Notre approche a été développée et validée pour des structures périodiques uni- puis bi-dimensionnelles composées de poutres. Pour les cas 2D, la forme de la cellule est hexagonale ou rectangulaire. Nous avons aussi considéré des plaques sandwichs en nid d’abeilles. Pour toutes ces structures, en identifiant les valeurs propres et les modes propres de Bloch sur une cellule primitive pour tous les vecteurs d’onde de Bloch situés dans la première zone de Brillouin dans l’espace de phase, la relation de dispersion entre le vecteur d'onde de Bloch et la valeur propre est calculée. En analysant cette relation de dispersion, les résultats importants sont obtenus, tels que les bandes de fréquences passantes et bloquantes et les caractéristiques d'anisotropie et dispersives des structures périodiques, la comparaison quantitative entre les premiers modes de Bloch et ceux des modèles homogénéisés classiques en vue d’une définition précise du domaine validation en fréquence de ceux-derniers et la mise en évidence des modes de Bloch « rétro-propagatifs » munis d’une vitesse de groupe négative. / Honeycomb core sandwich panels are widely used in the aeronautic industry due to their excellent flexural stiffness to weight ratio. Generally, classical homogenized model is used to model honeycomb core sandwiches in order to have an efficient but not expensive numerical modeling. However, previous works have shown that, while the homogenized models could correctly represent the membrane waves’ behavior of sandwiches in a large frequency range, they could not give satisfying simulation results for the flexural waves’ behavior in the high frequency range (HF). In fact, the honeycomb core layer plays an important role in the propagation of the flexural waves, so that when the involved wavelengths become close to the characteristic lengths of honeycomb cells, the cellular microstructure starts interacting strongly with the waves and its effect should no longer be neglected, which is unfortunately not the case of the homogenized models. In the present work, we are interested in improving the theoretical and numerical analysis of HF elastic waves’ propagation in honeycomb core sandwich panels by a numerical approach based on the Bloch wave theorem, which allows taking into account the periodic characteristics of the honeycomb core. In fact, by decomposing non-periodic wave solutions into their periodic Bloch wave basis modes, numerical models are defined on a basic cell and solved in a efficient way, and provide a better description and so a better understanding of the interaction between HF wave propagation phenomena and the periodic structures. Our numerical approach is developed and validated in the cases of one-dimensional periodic beam structures, of two-dimensional periodic hexagonal and rectangular beam structures and of honeycomb core sandwich plates. By solving the eigenvalue problem of the Bloch wave modes in one primitive cell of the periodic structure for all the wave vectors located in the corresponding first Brillouin zone in the phase space, the dispersion relation between the wave vector and the eigenvalue is calculated. The analysis of the dispersion relation provides important results such as: the frequency bandgaps and the anisotropic and dispersive characteristics of periodic structures, the comparison between the first Bloch wave modes to those of the classical equivalent homogenized models and the existence of the retro-propagating Bloch wave modes with a negative group velocity.

Sontech International AB är ett företag som är specialiserade på ljudabsorbenter i metall och skum. De har tagit fram en ljudabsorbent i kartong med slitsar som går längs arket med ett avstånd på max 5 mm mellan dem. Denna produceras idag med en CNC-maskin och det tar 17 minuter per kvadratmeter att producera absorbenten med 5 mm mellan slitsarna. För att produkten ska vara lönsam behöver produktionstiden ned på en minut per kvadratmeter. Det är ett relativt litet företag med stora kunder och har därför inte tid eller resurser att lägga på att utveckla produktionen av den. Därför har författarna fått i ansvar att som examensarbete inom maskinteknik försöka utveckla och till sist presentera en färdig modell på en maskin för lösningen. Efter skisser, prototyper och val mellan tre färdiga modeller på föll valet på maskinen vid namn Krattan. Krattan drivs med två pneumatiska cylindrar som lyfter upp arket och drar vad som kallas krattan som består av 199 knivar tvärs över det. Produktionstiden uppskattas ha sjunkit till ca 20 sekunder per kvadratmeter kartongark. / Sontech International AB is a company that specializes in sound absorbents made of metal and foam. They have a new product that is a sound absorbent made of cardboard with cuts along the sheet of cardboard with a maximum distance between the cuts of 5 mm. This product is made with a CNC-machine and it takes 17 minutes per square meter to produce a sheet with 5 mm between each cut. To make the product viable the production time needs to come down to a minute per square meter. Sontech is are latively small company which is why they have not been able to spare the resources to develop a solution for manufacturing this product. The writers have based their thesis paper in mechanical engineering on developing and presenting a complete model of a machine as a method of production. After many sketches, prototypes and a selection between three different solutions they picked a machine that they refer to as ‘‘The rake’’. ‘’The rake’’ is powered by two pneumatic cylinders. One cylinder lifts the sheet of cardboard and either pushes or pulls ‘’the rake’’ part of the machine that is made of 199 blades. The production time is estimated to be about twenty seconds per square meter of cardboard.

Main goals of this master thesis are following: to perform the state of the art research of overpressure constructions (especially space habitats, plane fuselages); to create an own concept of the functional inside ending (hole) in the sandwich panel for a door; to perform stress-strain analysis of this concept; to perform the design optimalization of this concept in order to minimise the weight. To solve the problems above software Ansys 17.2 is chosen, because it allows to: model the material of the honeycomb core of sandwich panel as homogenous linear orthotropic material; evaluate reserve factors of all critical limit states; perform the design optimalization; perform Monte Carlo simulation. First and second design optimalizations discover, that with defined parameters: 0,635 mm width of aluminium sandwich face sheets and inner overpressure 0,1 MPa, a creation of the model, that would be safe by changing the values of design variables is not possible. Specifically, the maximum value of shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and honeycomb core is higher than the shear strength of the glue. Therefore, two new concepts are created. First for inner pressure 0,03 MPa and bigger width of aluminium face sheets 3,175 mm, second for inner pressure 0,02 MPa and same width of aluminium face sheets 0,635 mm. For both these concepts, an overall reserve factor is calculated. First, the value of an overall reserve factor is calculated deterministically. Secondly, the value of an overall reserve factor is calculated stochastically considering the variance of material properties of the honeycomb core ± 10 % by Monte Carlo simulation. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,02 MPa is determined as 1,21. An overall reserve factor of the concept with inner pressure 0,03 MPa is determined as 1,20. The weight of the concept for inner pressure 0,03 MPa is though 4 times bigger than the weight of the concept for inner pressure 0,02 MPa. In the concept for inner pressure 0,02 MPa the maximum value of HMH stress in aluminium components is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core don’t have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa the value of maximum shear stress on the glued areas between aluminium face sheets and the honeycomb core is critical, stochastically considered material properties of the honeycomb core have a significant influence on this value. In the concept for inner pressure 0,03 MPa an absolute error of overall reserve factor is 8 % (overall reserve factor calculated deterministically was 1,28) which is significant. Monte Carlo simulation is also used to find that the value of Poisson ratio XY of the honeycomb core doesn’t have statistically significant influence on all limit states. Value of the reserve factor of the honeycomb core is higher than 2 in both concepts. Monte Carlo simulation discovers that this value can be significantly lower. Using Tsai-Wu failure criteria the reserve factor in the concept for inner pressure 0,02 MPa is determined as 2,72 deterministically x 2,41 stochastically (absolute error 31 %), in the concept for inner pressure 0,03 MPa the reserve factor is determined as 6,85 deterministically x 6,17 stochastically (absolute error 68 %).