Reliability based design of unstiffened fibre reinforced composite cylinders

In der Raumfahrt verwendete unversteifte Zylinderschalen unterliegen besonders hohen Ansprüchen bezüglich der Beherrschung von Unsicherheiten und des Gewichtes. Bisher verwendete Richtlinien basieren auf deterministischen Methoden und Daten von metallischen Zylindern, welche sich in ihrer Charakteristik deutlich von Schalen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen unterscheiden. In der vorliegenden Arbeit wird mit Hilfe umfangreicher Versuche und Untersuchungen an Schalen aus Kohlefaserverbundwerk-stoffen eine probabilistische Methode entwickelt, um fertigungs-, test- und modellbe-dingte Unsicherheiten innerhalb eines Bayes’schen Rahmenwerkes zu quantifizieren und entsprechende Sicherheitsfaktoren zu kalibrieren. Dazu werden zunächst systematisch fertigungs- und testumgebungsbedingte Unsicher-heiten auf Mikro-, Meso- und Makroebene bestimmt. Im Rahmen einer Sensitivitäts-analyse werden die Parameter bestimmt, welche einen signifikanten Einfluss auf die Beullast haben und deren stochastisches Verhalten somit berücksichtigt werden sollte. Es wird ein Bayes’sches Rahmenwerk entwickelt innerhalb dessen die relevanten Unsi-cherheiten aktualisiert werden, sobald neue Messdaten vorhanden sind. Diese dienen als Input für eine Monte-Carlo Simulation, die eine Verteilungskurve für die zu erwar-tende Streuung der Beullast berechnet. Aus dieser wird ein Sicherheitsfaktor für die struktur- bzw. fertigungsbezogenen Unsicherheiten kalibriert. Zusätzlich wird mit Hilfe der Strukturversuche ein Bayes’sches Fehlermodell ausgewertet, das die Modellunsi-cherheit analysiert und einen Sicherheitsfaktor zu deren Abdeckung liefert. Die entwickelte Methode bietet die Möglichkeit in Abhängigkeit der gewünschten Zuverlässigkeit und der a priori vorhanden Kenntnisse bzgl. der Unsicherheiten Sicher-heitsfaktoren zu kalibrieren. Dies ermöglicht eine verbesserte Ausschöpfung des Leichtbaupotentials. Mit Hilfe der verwendeten Bayes’schen Statistik ist es außerdem in transparenter Weise möglich, die statistische Datenbasis für CFK-Zylinder sowie die berechneten Sicherheitsfaktoren für andere Zylinderdesigns zu übertragen bzw. weiter zu entwi-ckeln.