Gert Sedlacik

Beitrag zum Einsatz von unidirektional naturfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen als Werkstoff für großflächige Strukturbauteile

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200401133

Kurzfassung in Englisch

In this work the possibility for using natural fiber-reinforced thermoplastics in highly loaded large surface structural elements is demonstrated. A production process to fabricate an inexpensive semi-finished material made of polypropylene and unidirectionally orientated natural fibers was developed. The feasibility of the process was proven for different fiber contents. In further examinations optimal parameters for processing the semi-finished material to produce composites by press forming were examined. With these optimal parameters composites have been fabricated that were tested for their static and dynamic properties.
On the basis of the characteristic values of these examinations the field of application for natural fiber reinforced thermoplastics in use of large surface structural elements could be shown. As an example for such an element a rotor blade of a wind turbine with a length of 3,75 m was created. For a prediction of the behaviour of the loaded rotor blade the following load cases were simulated by means of the FEM:
- 50-year gust, with a wind velocity of 50 m/s and standing rotor
- Nominal load, with a wind velocity of 11 m/s and turning rotor.
For an evaluation of the composite behaviour the Tsai Wu criterion was used, because of its capability to determine the failure condition under multi-axle stress.
With these simulations it could be shown that it is theoretically possible to use natural fiber-reinforced thermoplastics as material for large surface structural elements.

Kurzfassung in Deutsch

In der vorliegenden Arbeit wurde eine Möglichkeit für die Verwendung von naturfaserverstärkten Thermoplasten in hochbelasteten großflächigen Strukturbauteilen aufgezeigt. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches die preiswerte Herstellung eines Halbzeuges aus Polypropylen und unidirektional ausgerichteten Naturfasern ermöglicht. Die Realisierbarkeit dieses Verfahrens konnte für verschiedene Naturfasergehalte nachgewiesen werden. In weiteren Untersuchungen wurden die optimalen Verarbeitungsparameter für die Herstellung von Faserverbunden aus diesem Halbzeug mittels der Presstechnik ermittelt. Mit diesen optimalen Parametern wurden Verbunde hergestellt und auf ihre statischen und dynamischen Eigenschaften geprüft.
Auf Grundlage der in diesen Prüfungen ermittelten Kennwerte konnte die Einsatzmöglichkeit dieser naturfaserverstärkten Thermoplaste für ein großflächiges Strukturbauteil gezeigt werden. Als Beispiel für ein solches Bauteil wurde ein 3,75 m langes Rotorblatt einer Windkraftanlage entworfen. Um eine Aussage über das Verhalten des Rotorblattes unter Belastung treffen zu können, wurden folgende Lastfälle mit Hilfe der FEM simuliert:
- 50-Jahres-Böe, mit Windgeschwindigkeit von 50 m/s und stehendem Rotor
- Nennlast, mit Windgeschwindigkeit von 11 m/s und drehendem Rotor
Für die Bewertung des Verbundverhaltens wurde das Tsai-Wu-Ausfallkriterium herangezogen, da es eine Aussage über das Bruchverhalten von Faserverbunden unter mehrachsiger Belastung erlaubt.
Die Auswertung dieser Simulationen ergab, dass es theoretisch möglich ist, naturfaserverstärkte Thermoplaste als Werkstoff in großflächigen Strukturbauteilen einzusetzen.

weitere Metadaten

Schlagwörter
Ausfallkriterium
Schlagwörter
FEM
Schlagwörter
Hybridkrempelband
Schlagwörter
Naturfaserverstärkt
Schlagwörter
Tsai Wu
Schlagwörter
UNIVO
SWD SchlagworteFlachs
SWD SchlagworteMechanische Eigenschaft
SWD SchlagwortePolypropylen
SWD SchlagworteRotorblatt
DDC Klassifikation620
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Maschinenbau
GutachterProf. Dr.-Ing. habil. Eberhard Köhler
Prof. Dr.-Ing. Gerhard Scharr
Prof. Dr.-Ing. habil. Andrzej K. Bledzki
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)06.11.2003
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung23.07.2004
Veröffentlichungsdatum (online)17.08.2004
persistente URNurn:nbn:de:swb:ch1-200401133

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