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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Verbindermaterial vergleich



migg88
24.03.2013, 17:35
Hallo Thorsten,

Ich habe den Alu-Verbinder im Vergleich zum angebotenen CFK-Hohlprofil verglichen und komme zum Ergebnis, dass sich der Verbinder im Normalbetrieb nicht verbiegt. Darüberhinaus habe ich auch noch die Stahl und Tungstenvariante betrachtet, da es ja um die Ballastierung geht. Nachfolgend meine Beurteilungsgrundlage:

Ein Flächenverbinder muss nicht nur Biegefest, sondern auch Biegesteif sein.

Biegefestigkeit; Mb = σb * W; ist ein Mass der Biegung gegen Bruch und ist im Wesentlichen vom Widerstandsmoment des Verbinders und von dessen zulässigen Bruchspannung abhängig. Entsprechend hilft hier ein grosser Randfaserabstand.

Biegesteifigkeit = E * I; ist der Widerstand gegen plastische Verformung. Sie ist direkt proportional zum E-Modul des verwendeten Materials und ebenso zum Flächenträgheitsmoment. Dies wir entsprechend mit einer grossen Querschnittsfläche A erreicht.

Vollquerschnitt auf Biegung belastet; wobei B > H und H in vertikaler Richtung belastet wird

A = B * H
W = B * H2 /6
I = B * H3/12

Hohlquerschnitte gemäss Abbildung
A = B * H - b * h
W = (B * H3 - b * h3) / (6 * H)
I = (B * H3 - b * h3)/12

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Materialvergleichswerte

Zur Beurteilung der unterschiedlichen Materialwerte interessiert der E- Modul, da er proportional zur Biegefestigkeit ist. Die zulässige Spannung σb interessiert hier im Vergleich zur Beurteilung der Biegesteifigkeit. Darüberhinaus interessiert auch die Dichte ρ des Materials zur Bestimmung der entsprechenden Masse m. Entsprechend leiten sich daraus der spezifische E-Modul Es als Quotient von E/ρ und die Reisslänge bzw. die spezifische Steifigkeit s als Quotient von σ/ρ ab.

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Dimensionen des Flächenverbinders vom Stinger

B = 40 mm, H = 14 mm, b = 36 mm, h = 12 mm, L = 400 mm; ρmessing 9 g/cm3

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Prüfung Belastungsgrenze

An dieser Stelle werden die zu erwartenden Querkräfte und Biegemomente, welche an der Flügelwurzel auftreten einfach überschlagen.
mmax 5 kg, F = 0.58m2, s = 3 m, n = 30
Qmax = n * g * (mmax - mf)/2 = 515 N
Mbmax = Qmax * 0.45 * s/2 = 347

Der CFK-Verbinder ist auf ein Lastvielfaches von ca. 30 ausgelegt worden.

Ausgehend von diesen Resultaten zeigt sich, dass der Aluminium-Voll-Verbinder dem Hohlprofil aus CFK bezüglich Steifigkeit und Festigkeit überlegen ist. Aus Rainers Sicht macht es sicher mehr Sinn den Verbinder Aus Stahl herzustellen, da damit auch in etwa das Gewicht der billigen Ballastierungsmethode mit Messing-Stangen erreicht wird. Dies soweit meine theoretische Beurteilung :-)

Aus der praktischen Erfahrung mit dem Stinger (ca. 50h) als Hangflieger hingegen kann ich mich der initialen Ausführung von Tobi anschliessen und muss sagen, dass ich bisher nur wenige Gelegenheiten hatte, bei der genügend Auftrieb für eine Vollballastierung gegeben waren. Im Normalfall Packe ich soviel wie möglich rein und versuche oben zu bleiben, ansonsten wird entsprechend entladen und neu probiert.

Gruss Martin

Vakuum
25.03.2013, 23:33
Hallo Martin,

bitte nimm mir die folgenden Zeilen nicht übel, aber ich kann Deinen Beitrag so einfach nicht stehen lassen. :(
Als ich Deine Berechnungen zum Verbinder überflogen habe, hat mich ein Gefühl beschlichen, dass da irgendetwas nicht stimmen kann - ein paar Fehler führen in der Tat dazu, das Deine Vergleiche von Stahl / Alu / CFK im Endergebnis total daneben liegen:
1. Der größte Fehler liegt in den mechanischen Werten, die Du für CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) einsetzt, hier hast Du offensichtlich die Werte für GFK (Glas-faserverstärkter Kunststoff) erwischt (bis auf die Zugfestigkeit, dazu später). Der E-Modul von Glasfaser liegt tatsächlich im Bereich von 72 bis 83 KN/mm², der von Carbonfaser im Bereich von 230 bis 700 KN/mm² (bzw. GPa), je nach eingesetzter Faser. Dieser Fehler führt auch zu falschen Werten für den spezifischen E-Modul, die errechnete Biegesteifigkeit u.s.w.
2. Die in Deiner Tabelle aufgeführten Zugfestigkeiten treffen z.B. für (DUR)-Aluminium zu, für (Bau)-Stahl ebenfalls (Vergütungsstahl kann um mehr als Faktor 2 höhere Werte erreichen), für CFK (Einzelfaser) müssen ca. 4200 bis 6000 N/mm² (bzw. MPa) eingesetzt werden, je nach Faser. Selbst Glasfasern (Einzelfaser) weisen einen ca. 5-fach höheren Wert als Aluminium auf.
3. Bei der Berechnung von Verbindern aus Carbon - oder Glasfasern darf für die zur Verfügung stehenden Querschnitte nur ein Faservolumenanteil von 40% bis 60% (ca., je nach Bauweise) eingesetzt werden, auch das hat noch einmal entsprechenden Einfluss auf die Ergebnisse.
Die geschilderten und weitere Fehler führen in der Summe zu einem absolut irreführenden Fazit.

Die verglichenen Materialien sind in ihren Eigenschaften extrem verschieden, bei der Auslegung sind auch noch nicht genannte Eigenschaften wie Zähigkeit und Bruchdehnung zu berücksichtigen,
es gibt zum Verbinder-Thema aber schon ein paar gute Beiträge, wer Interesse hat, sollte einfach mal die Suche bemühen.


Grüße
Gregor

WalterH
26.03.2013, 00:57
Also wenn es hier noch keinen eigenen Thread zu gibt wäre das die Gelegenheit. :)
Das Thema verdient eine gute Darstellung und der Anfang sieht schon gut aus.
Ich bin da vermutlich nicht der Einzige, den das interessiert, leider kann ich selber nicht viel dazu beitragen.

Dumme Frage dazu, die vielleicht in den neuen Thread :D gehört: Was ist der Einfluss, wenn im Flächenverbinder die C-Fasern gestreckt, unter Vorspannung eingeharzt werden?
Oder ist die Haftung zum Harz inzwischen so gut, dass die Bewegung zwischen nicht ausgerichteten Faden und Harz keine Rolle mehr spielt? Sorry für meine etwas layenhafte Darstellung.

Cheers
Walter

migg88
27.03.2013, 00:06
Danke Gregor für Deine klare Ansage.

Ich bin mit Dir einig, dass die aufgeführten Werte grundsätzlich nicht ganz richtig sind. Die Materialangaben habe ich aus dem Netz gesaugt. Vielleicht habe ich eine falsche Quelle erwischt, - ich halte die Angaben aber aber auch nach der Prüfung nicht für total daneben. Ich werde mich daher geflissentlich bemühen, die Quellen gleich von Anfang an offen zu legen.

Quellen für referenzierte Materialangaben.
CFK [1]: Kennzahlen-Gfk-CfK-etc (http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/23203-Kennzahlen-Gfk-CfK-etc?p=223918&viewfull=1#post223918)
Alu bzw. Duraluminium-Werte [2]: Duraluminium (http://de.wikipedia.org/wiki/Duraluminium)
Stahl bzw. Baustahl 52 [3]: Stahl (http://www.stahlteile.eu/stahlnormen.html)

Ich gebe zu, ich kenne die verwendete Faser nicht, welche Vaclav im Verbinder für den Stinger verarbeitet hat. Ich bin einfach von einer Torayca T300 ausgegangen. Ef = 230 kN/mm2, σf = 3530 N/mm2, ρf = 1.76 g/cm3

Quelle für Faserwerte [4]: T300 Datenblatt (http://www.toraycfa.com/pdfs/T300DataSheet.pdf)

In diesem Datenblatt [4] sind auch Werte für UD-CFK-Laminate mit einem Faseranteil φ = 60% und einem mir unbekannten Harz angegeben. Ich habe diese Werte ECFK = 135 kN/mm2, σCFK = 1860 N/mm2 gemäss dem mir wahrscheinlichen Wert (Handlaminieren) von φ = 35% heruntergerechnet. Der Verbinder ist ja aus einem Geflechtschlauch +/-45° mit Ober- und Untergurte aus UD-Rovings gefertigt und erreicht aus meiner Sicht nicht die volle Packungsdichte.

Eφ2 = φ2/φ1 * Eφ1

Damit bekomme ich einen einen abgerundeten E-Modul für das Laminat von ECFK = 79 kN/mm2, welcher der Vorgabe von Christian [1] nahe kommt.

Die von mir angegebene Dichte des CFK-Laminats mit ρCFK = 1.4g/cm3 ist berechnet sich wie folgt:

ρCFK = ρf * φ + (1 - φ) * ρm

Dazu habe ich die Dichte der Matrix ρm = 1.158 g/cm3 aus dem Datenblatt des von mir eingesetzten Epoxydharz L20 + Härter EPH 161 von R&G [6] eingesetzt.

Quelle für Epoxydharz [6]: Epoxydharz-L20/EPH 161 (http://www.swiss-composite.ch/pdf/t-Epoxydharz-L20.pdf)

Für die Matrix wird ein E-Modul Em = 3400 N/mm2 angegeben. Daraus lässt sich zusammen mit dem E-Modul der Faser Ef der E-Modul (in Faserrichtung) des unidirektionalen Verbunds ECFK = 83 kN/mm2 vereinfacht ermitteln.

ECFK = Ef * φ + Em * (1 - φ)

Auch dieser ermittelte Wert liegt vergleichbar bei den Vorgaben von Christian [1].

Analog ist vereinfacht betrachtet der Zugmodul σCFK proportional zum Faseranteil φ und es gilt:

σCFK = σf * φ

Damit gebe ich Gregor in diesem Punkt recht, dass der vorgeschlagene Bereich σCFK = 600 ..650 N/mm2 etwa halb so gross ist, wie der so berechnete Wert, ausgehend von der Zugfestigkeit der Faser. Die angegebene Biegespannung σb im Faser-Datenblatt [4] ergibt bei reduzierter Packungsdichte eine zulässige Biegespannung von σCFK = 1000 N/mm2

Wichtig ist hierbei zu berücksichtigen, dass sich der Verbinder prinzipell durch Schubspannungen zerstört und nicht durch die Zug- und Druckbelastungen in den Gurten. Daher sind die Stege, welche mit den Geflechtschläuchen in +/-45° Richtung belastet sind genauso ausschlaggebend für die Belastungsgrenze, wie der Bruch zwischen den Fasern. Daher bleibe ich auch hier bei den reduzierten Werten, welche Christian in seiner Auflistung [1] vorgegeben hat.

Damit bestätige ich auch die vorgeschlagenen Reisslängen Es und die spezifische Steifigkeit s aus meinem initialen Post.

Zur Auslegung von Flächenverbindern habe ich hier im Forum z.B. folgende Beiträge gelesen:
[7] Flächenstahl-durch-Carbon-ersetzen (http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/1935-Fl%C3%A4chenstahl-durch-Carbon-ersetzen)
[8] Festigkeitswerte-Kohlefaser (http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/99014-Festigkeitswerte-Kohlefaser)

Vielleicht lässt Gregor uns an seinen Quellen teilhaben, oder referenziert die Links die dieses Thema weniger irreführend behandeln. Ich würde mich weiter interessieren, ob mein Fazit, dass sich der Alu-Verbinder nicht verbiegt, denn so total daneben liegt? Ich bitte ich Dich Gregor, daher meine weiteren Fehler offen zu legen. Ich freue mich an Fehlern zu lernen :).


@ Walter:

- Die Anisotropie nimmt mit zunehmender Steifigkeit der Kohlefaser zu. Dies bedeutet dass bereits Faserfehllagen von 5° bei den HT-Fasern eine Reduktion 17% gegenüber den Idealwerten hat. Das zu deiner Anfrage nach dem Strecken.
- Wenn ich die Interpretation der Verbinderbrüche richtig gedeutet habe, ist ein Grund die ungenügende Haftung zwischen den Fasern, welche lokalen Überbelastungen und zur Rissbildung mit anschliessendem Versagen führt.

Quelle [9] : Dieter Pfefferkorn, Faserverbundwerkstoffe 1988, bei Amazon (http://www.amazon.de/Faserverbundwerkstoffe-im-Flugmodellbau-Dieter-Pfefferkorn/dp/3788306122)

@ Tobi ich hätte es richtig gefunden, wenn Du beim verschieben den Link zum Stinger [10] eingefügt hättest, da dieser Beitrag ja aus einer Frage bezüglich des Aluverbinders entstanden ist.
Stinger [1] Stinger-F3F-F3B, Post 25 (http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/375077-Stinger-F3F-F3B-von-VV?p=3072839&viewfull=1#post3072839)

Gruss Martin

WalterH
27.03.2013, 10:07
Danke Martin für die Info und, dass du auf meine Zusatzfrage eingegangen bist.
Ich werde bei der Quelle mal weiter lesen.

MarkusN
27.03.2013, 10:22
Biegesteifigkeit[/B] = E * I; ist der Widerstand gegen plastische Verformung. Sie ist direkt proportional zum E-Modul des verwendeten Materials und ebenso zum Flächenträgheitsmoment. Dies wir entsprechend mit einer grossen Querschnittsfläche A erreicht.
<nitpicking>
Nein. Ist der Widerstand gegen elastische Verformung. Für den Alltagsgebrauch ist der Widerstand gegen plastische Verformung (Streckgrenze) die Belastungsgrenze, nicht die Bruchlast. Wenn der Verbinder krumm wird, wars zuviel.
</nitpicking>

migg88
27.03.2013, 20:51
@ Markus

Danke für die Berichtigung :)

Hier habe ich ich etwas falsch notiert. - Man sollte seine Handschrift eben auch noch richtig abtippen können. :(

Ja, Ich stimme voll mit Deine Ausführung überein. In elastischen Bereich ist die Dehnung ε proportional zum E-Modul. Erst oberhalb der Streckgrenze setzt die plastische Verformung und bei CFK entsprechend der Bruch ein.

Gruss Martin

Gast_8624
27.03.2013, 23:03
... In elastischen Bereich ist die Dehnung ε proportional zum E-Modul.

Sorrv, das ist technischer Unsinn.


Der Elastizitätsmodul ist im Spannungs-Dehnungs-Diagramm als die Steigung des Graphen innerhalb des linearen Elastizitätsbereichs definiert. Dieser lineare Bereich wird auch als Hookesche Gerade bezeichnet.

Dort ist die Dehnung proportional der Spannung (Belastung).

Gruß Rolf

migg88
28.03.2013, 07:09
Rolf

Ich habe es vielleicht nicht geschickt formuliert, aber gleich Unsinn? Der Elastizitätsmodul oder E-Modul zeigt in diesem Bereich ein lineares Verhältnis zwischen Spannung σ und Dehnung ε.

E = σ / ε

Dabei ist die Dehnung ε die verhältnismässige Längenänderung, welches das Bauteil bei der angelegten Spannung σ erfährt.

Diesen Sachverhalt hatte ich gemeint mit proportional. Oberhalb der Streckgrenze ist diese Linearität/Proportionlität aufgrund der plastischen Verformung nicht mehr gegeben.
Um weiter Missverständnisse zu eliminieren hier der Link zur Beschreibung des E-Modul in Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/Elastizit%C3%A4tsmodul).

PS: Bei einem Scale-Model wird auch von proportionaler Grössenänderung gesprochen, wenn es um den Faktor 2 verkleinert wird.

Gruss Martin

FamZim
28.03.2013, 10:08
Moin

Ich denke es ist längst erwiesen das die Faserverbinder immer bei Druckbelastung versagen ?
Darum schere ich mich auch nicht um E Modul und die Zugbelastbarkeit.
Ich mache ein Testlaminat, und damit einen Bruchlasttest.
Da sind alle Zug-Druck-und Scherkräfte einlaminiert.
Die Messung zeigt dann die wahre Belastbarkeit eines solchen Bauteiles.
Die liegt zum Erschrecken des Rechners, weit unter der ach so genauen und wichtigen Berechnung.
Gerechnet wird dann nur noch der Querschnitt der nötig ist.

Gruß Aloys.

Gast_8624
28.03.2013, 11:14
Morgen Martin,

so, wie du es jetzt schreibst macht es Sinn...


...Dabei ist die Dehnung ε die verhältnismässige Längenänderung, welches das Bauteil bei der angelegten Spannung σ erfährt.

Das entspricht dem was ich geschrieben hatte:


Dort ist die Dehnung proportional der Spannung (Belastung)

keinen Sinn macht es eben wenn du schreibst: ...ist die Dehnung ε proportional zum E-Modul.

Aber lassen wir es jetzt gut sein, das Thema um die Hooksche Gerade ist eh nur etwas für Leute welche unter anderem auch mal Festigkeitslehre studiert haben..

Gruß Rolf

WalterH
28.03.2013, 14:57
Ooch das Hookesche Gesetz kennt man doch noch aus der Schule.;)

Wenn ich da noch eine dumme Frage einwerfen darf:
Wie geht hier eigentlich die Temperatur ein?

Anlass sind die unerfreulichen Frühlings-Temperaturen. :mad:
Wenn ich dann bei ca. 0° C fliege macht das doch den Harz in einem CFK Verbinder spröde.
Bei Kunstharzen sollte der Temperatur Effekt zwischen leicht unter Null und sagen wir mal im Hochsommer maximal 70°C schon relevant sein.
Wie groß sind dann die Abweichungen von den idealen Festigkeiten?

Bei Metall-Verbindern vermute ich, dass das doch eher geringfügig sein wird, da das linear mit der absoluten Temperatur in K gehen sollte.
Oder liege ich hier völlig daneben?

Cheers
Walter

willo
29.03.2013, 10:46
Hallo,da ich dieses Thema irgentwie ins Rollen gebracht habe nun meine Aussage: mir ist ein Verbinder bei einem abrupten Manöver gebrochen ( http://www.dynamic-soaring.de/forum/showthread.php?t=239 ), ich verwende den Alu-Verbinder nur wenns gut trägt da er ja auch als Ballast dient.
Auch bei Stürzen aus 500m mit ca.3kg Fluggewicht u.VOLLEM Durchziehen hat der Alu Verbinder gehalten, er war auch nicht verbogen. Ich gehe nur von praktischen Versuchen ohne Berechnung aus u.die geben mir Recht!
Schaut euch das Foto von meinem gebrochenen Verbinder an, der Hersteller versicherte mir dass das unmöglich im Flug passieren könne !?!
Willi
971616

Gast_8624
29.03.2013, 19:25
... der Hersteller versicherte mir dass das unmöglich im Flug passieren könne !?!

Hallo Willi,

wenn der Hersteller den Verbinder auf , ich sag mal, 40 g ausgelegt hat, und du bei deinem Ablasser aus 500m mit dann (VOLL)gezogenem Höhenruder ca 60g erreichst, ja dann...:cry:

Bei den "Manntragenden " gibt es so etwas nicht, weil es dort eine sog. Manövergeschwindigkeit gibt, oberhalb der, VOLLE Ruderausschläge verboten sind. :eek:

Gruß Rolf

willo
30.03.2013, 08:38
Hallo Ralph, du hast vollkommen Recht, aber da war halt die Zeit wo viele ihre Modelle lobten die vollballastiert aus was weis ich 800/1000m kommend einen Rechtecklooping flogen, ich wollts natürlich auch tun, das Ergerbniss hat mich belehrt!
Gruss Willi

FamZim
30.03.2013, 10:14
Hallo

Da sind ja nun 2 Testkandidaten vorhanden, an denen die "praktische" Festigkeit getestet werden kann.
Und anschließen zurück rechnen auf die Materialfestigkeit ;)

Gruß Aloys.