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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Ermüdungsverhalten strukturierter Bleche im Bereich extrem hoher Lastwechselzahlen

Der Einsatz strukturierter Bleche zu Reduzierung des Luftwiderstandes moderner Verkehrsmittel ist aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht erstrebenswert.

Einen innovativen Ansatz hierzu stellen transversal laufende Oberflächenwellen dar, welche durch Interaktion mit dem wandnahen Strömungsfeld eine Abschwächung der Turbulenzproduktion und somit eine Verringerung des aerodynamischen Reibungswiderstandes bewirken. In Kombination hiermit können passive Methoden der Widerstandsreduktion, wie z.B. ribletartige Oberflächenstrukturen einiger 1/10 mm Größe, zur Anwendung kommen.
Die Machbarkeit dieser Technologie wird in der DFG-Forschergruppe 1779 im Detail untersucht. Das IEK-2 liefert hierzu Beiträge zum Ermüdungsverhalten des eingesetzten Materials, da dies eine technische Grenze für die spätere Anwendung darstellt. Eine Frequenz der Oberflächenwelle von ca. 100 Hz führt im Laufe der Lebensdauer eines Transportmittels, z.B. eines Flugzeugs, zu einer Lastwechselzahl weit oberhalb von 107 Zyklen, die somit deutlich im Ultrahochzyklus (VHCF)-Bereich liegt.

Das hier untersuchte Material ist die hochfeste Aluminiumlegierung Al-2024, welche seit vielen Jahren für Flugzeugrümpfe und Flügel eingesetzt wird und auf hohe Festigkeiten ausgehärtet werden kann.

Es ist bekannt, dass Wöhlerkurven von Al-Legierungen für sehr hohe Lastspielzahlen keinen horizontal-asymptotischen Verlauf aufweisen, sondern auch im VHCF-Bereich weiter abfallen. Der Einfluss von Plattierungen aus reinem Aluminium sowie von Oberflächenstrukturen in Größe der Riblets ist jedoch noch weitgehend unerforscht.

Mehrfacher Anriss in der Plattierschicht  mit anschließender Rissausbreitung in das SubstratMehrfacher Anriss in der Plattierschicht mit anschließender Rissausbreitung in das Substrat

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Durch das Walzen der Riblets erfolgt eine Kaltverfestigung, und es ergeben sich Druckeigenspannungen in Oberflächennähe, die durch Röntgendiffraktometrie gemessen werden können. Des Weiteren erzeugen die Riblets eine deutliche Kerbwirkung, welche die Spannung während der Belastung in Oberflächennähe lokal erhöht. Ein weiterer Effekt ist die wesentlich geringere Festigkeit der Plattierschicht gegenüber Ermüdungsbeanspruchung.
Die Ermüdungsversuche werden mit einer Ultraschallprüfmaschine bei einer Prüffrequenz von ca. 20 kHz bei Raumtemperatur durchgeführt. Durch in-situ-Beobachtung von Parametern zur frühen Schädigungsanalyse (Oberwellencharakteristik, Dämpfungsverhalten, usw.) können Proben bereits einige Zeit vor dem Versagen gesondert untersucht werden. Nach Probenversagen werden Bruchflächen rasterelektronenmikroskopisch analysiert, um die wirksamen Versagensmechanismen aufzuklären.
Ergänzend werden 3-Punkt Biegeversuche bei einer Frequenz von ca. 100 Hz durchgeführt. Diese Belastung entspricht direkt der technischen Anforderung. Die experimentellen Arbeiten werden durch elastische FEM-Simulationen unterstützt.
Durch die gewonnen Erkenntnisse wird ein wesentlicher Beitrag zum Verständnis des Ermüdungsverhalten strukturierter Bleche im Bereich extrem hoher Lastwechselzahlen geleistet.

FOR 1779


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