Investigation and Simulation of the Heating Effects in Sandwich Cores During Vibrational Loading

• Main Author: Langer, Jacob
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Lättkonstruktioner 2013
• Subjects: Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-212063

GKN Aerospace Engine Systems specializes in large load carrying static structuresfor aero engines and is, as part of a light weight strategy, developing design andmanufacturing technology to be able to complement the current metallic product offerwith composite fan guide vane structures. Fan vanes in modern engines are structuraland to meet the requirements for low weight in the aircraft industry, it is necessary todesign the vane as a sandwich structure. The objective with this thesis is to investigateand model the heating effect in the polymeric sandwich core during cyclic loadingand to assess the impact on fatigue life from heating both during structural testing aswell as in service.To model the heating in a FEM model, the damping in the material is measured withDynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) and is used together with the cyclicamplitude and frequency to calculate the heating term for each element in the FEmodel. In order to validate the thermal analysis and see the effect of heating on thefatigue properties of the core material, fatigue tests are done at normal testingfrequencies and elevated frequencies with temperature elevations monitored as afunction of time.The predicted heating effect is shown to correlate well with the experimental datawhereas the maximum loading frequency of 40 Hz that could be applied was too lowto give any effect on the fatigue life. It is also shown that the effect of loadingfrequencies in the order of 300 Hz requires the fatigue amplitude to be lower than thefatigue strength to avoid excessive heating effects. For in service loadings, the highcycle fatigue is intermittent and as the heating is slow enough, the conclusion is thatfatigue strength is not affected by heating effects === GKN Aerospace Engine Systems är specialiserade inom statiska strukturer förflygmotorer som skall klara av att bära stora laster. Som en del av en lättviktsstrategiskall GKN utveckla design och tillverkningsmetoder som ett komplement tillnuvarande metallprodukter och en av dessa är kompositledskenan som leder luften intill motorn. Fläktledskenor i moderna motorer är strukturella och för att möta kravenför lågt vikt inom flygindustrin är det nödvändigt med en sandwichstruktur. Måletmed detta examensarbete är att undersöka och modellera värmeeffekterna i denpolymera sandwichkärnan under cyklisk lastning samt bedöma hur livslängdenpåverkas av uppvärmningen dels via strukturtester samt i drift.Dämpningen i materialet måste ta fram för att kunna modellera uppvärmningen i enFEM-modell. Dämpningen tas fram genom Dynamic Mechanical Thermal Analysis(DMTA) and används tillsammans med den cykliska amplituden samt frekvens för attberäkna uppvärmningsbidragen för varje element i FE-modellen. Utmattningstester ärutförda med låga samt högre frekvenser för att styrka den termiska analysen ochanalysera effekterna av uppvärmning under utmattning av kärnmaterialet.Temperaturskillnaderna övervakas som en funktion av tid.Den förutspådda uppvärmningseffekten visar sig korrelera väl med experimentelladata men den maximala lastfrekvensen 40 Hz som användes vid utmattningstesternavar ändock för låg för att visa några större effekter på utmattningslivslängd. Det visarsig att för frekvenser i storleksordningen 300 Hz krävs att utmattningsamplituden ärlägre än utmattningsstyrkan för att undvika överdrivna uppvärmningseffekter.Slutsatsen är att i drift är utmattningslivslängden för högcykellaster intermittent ochuppvärmningen är tillräckligt långsam, därav påverkas utmattningshållfastheten inteav uppvärmningseffekter.