CAIO-3D
Faserplatzierung auf Oberflächen von 3D-Volumina:
Titan-Kompressorschaufel eines Luftstrahl-Triebwerkes
Die Anwendung von CAIO auf 3D-Volumina ist prinzipiell möglich, wenn die Faserplatzierung auf lastfreien Oberflächen stattfindet (ebener Spannungszustand). Als Anwendungsbeispiel wird eine Titan-Kompressorschaufel eines Luftstrahl-Triebwerkes gewählt, s. auch CAO. Die CAIO-Schicht besteht aus einer Titan-Matrix mit SiC-Fasern in σ1-Richtung, die auf der druckbeanspruchten Seite der Schaufel aufgebracht wird. Diese Seite weist die höchsten Zugspannungen (Biege + Membranspannungen) auf infolge der zentrifugalen Belastung (16000 U/Min.). Auf die 2. Lage mit Fasern in σ2-Richtung wird verzichtet, da Titan als Matrix die kleinere Hauptspannung σ2 (σ1>σ2) problemlos aufnimmt. Titan/SiC Verbunde mit uniaxialem Faserverlauf sind technologisch aufwendig, jedoch schon mehrfach im Einsatz /14/. Die SiC-Fasern haben typischerweise einen Durchmesser d=0.14 mm.
Titan-Kompressorschaufel eines Luftstrahl-Triebwerkes
Die Anwendung von CAIO auf 3D-Volumina ist prinzipiell möglich, wenn die Faserplatzierung auf lastfreien Oberflächen stattfindet (ebener Spannungszustand). Als Anwendungsbeispiel wird eine Titan-Kompressorschaufel eines Luftstrahl-Triebwerkes gewählt, s. auch CAO. Die CAIO-Schicht besteht aus einer Titan-Matrix mit SiC-Fasern in σ1-Richtung, die auf der druckbeanspruchten Seite der Schaufel aufgebracht wird. Diese Seite weist die höchsten Zugspannungen (Biege + Membranspannungen) auf infolge der zentrifugalen Belastung (16000 U/Min.). Auf die 2. Lage mit Fasern in σ2-Richtung wird verzichtet, da Titan als Matrix die kleinere Hauptspannung σ2 (σ1>σ2) problemlos aufnimmt. Titan/SiC Verbunde mit uniaxialem Faserverlauf sind technologisch aufwendig, jedoch schon mehrfach im Einsatz /14/. Die SiC-Fasern haben typischerweise einen Durchmesser d=0.14 mm.
Abb. (a): Die SiC-Ti-Fasern sind eingebettet in einer
Titan-Matrix und werden als Truss-Elemente in σ1-Richtungen modelliert. Die sich daraus ergebende Verstärkungsschicht (CAIO-Schicht) hat eine
konstante Dicke von 0.28 mm. (Abaqus: Embedded elements, Ansys: Secdata, Type Reinforcing).
Abb. (b): Die Spannungsberechnung liefert die σ1-Richtungen der CAIO-Schicht. Die k1-Richtungen sind
parallel zu den σ1-Richtungen. Mit k1=1E4 und
k2=1 werden anschließend die Isothermen der orthotropen Wärmeleitung ermittelt. Der Übersicht wegen sind nur wenige Isothermen
geplottet (Ansys-Modell). Deren Verlauf entspricht den σ1-Hauptspannungslinien.