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Experimentelle Charakterisierung und kontinuumsmechanische Simulation des Versagensverhaltens strukturell vernähter Faser-Kunststoff-Verbunde

  • Das Vernähen von trockenen Faserhalbzeugen im Vorfeld der Harzinjektion bietet vielfältige Möglichkeiten, um gewichts- und kostenoptimierte Faser-Kunststoff-Verbund- Bauteile komplexer Geometrie herzustellen. Zur Stabilisierung der Faseranordnung, insbesondere aber zur Erhöhung der Impaktbeständigkeit und Schadenstoleranz derartiger Strukturen können flächige Halbzeuge durch strukturelles Vernähen verstärkt werden, wodurch die Aufnahme komplexer dreidimensionaler Belastungen ermöglicht wird. Allerdings kann Vernähen in Laminatdickenrichtung die mechanischen Scheibeneigenschaften des Verbunds in der Laminatebene auch reduzieren, was auf Fehlstellen (Reinharzgebiete) und Faserondulationen, verursacht durch das Nähgarn, zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher, aufbauend auf Ergebnissen scheibenzugund -druckbelasteter Faser-Kunststoff-Verbunde, kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-( MAG-)Laminate strukturell vernäht und eine breit angelegte experimentelle Parameterstudie zum Einfluss unterschiedlicher Nähkonfigurationen auf Scheiben- Schubmodul und -festigkeit sowie zusätzlich auf die Restdruckfestigkeit nach Impaktbelastung (CAI-Festigkeit) und die scheinbare interlaminare Energiefreisetzungsrate G1R unter Mode-1-Belastung durchgeführt. Neben Stichrichtung, Garnfeinheit, Teilung (Abstand zwischen zwei parallelen Nähten) und Stichlänge wurde die Belastungsrichtung (Rissfortschrittsrichtung im Falle von G1R) als Parameter definiert, systematisch variiert und hinsichtlich ihrer statistischen Signifikanz auf das experimentelle Ergebnis untersucht. In der Mehrzahl der Fälle wurden der Schubmodul und die Schubfestigkeit im Vergleich zum unvernähten Laminat um bis zu 22 % reduziert. Bei einigen Nähkonfigurationen ließen sich aber auch keine Änderung oder sogar eine geringfügige Steigerung des Schubmoduls im Vergleich zum unvernähten Laminat feststellen. Demgegenüber konnten die CAI-Festigkeit und G1R durch strukturelles Vernähen maximal um 48 % bzw. um den Faktor 5 erhöht werden. Während die Scheibenschubeigenschaften und G1R dominierend von der Garnfeinheit beeinflusst werden, wird die CAI-Festigkeit vorwiegend durch die Wahl der Stichdichte bestimmt, wobei der Einfluss von Garnfeinheit und Stichdichte auf die untersuchten Kennwerte gegenläufig ausgeprägt ist. Ein Anstieg dieser Parameter führt zu Absenkungen der Scheibeneigenschaften, gleichzeitig aber auch zu Steigerungen von CAI-Festigkeit und G1R. Allerdings kann durch die Wahl geeigneter Nähkonfigurationen ein Kompromiss zwischen beiden Effekten gefunden werden. Die Realisierung der Nähtechnik im Industriemaßstab kann allerdings nur dann erfolgen, wenn Werkstoffeigenschaften günstig und schnell, d. h. mit minimalem experimentellen Aufwand, abgeschätzt werden können. Zur Simulation des Festigkeitsverhaltens in der Laminatebene, das in der Strukturauslegung neben dem elastischen Verhalten häufig maßgeblich ist, wurde daher, aufbauend auf einem parametrisch gesteuerten Finite-Elemente-Einheitszellenmodell, ein Modul zur kontinuumsmechanischen Versagensanalyse (Spannungs-, Verzerrungs-, Festigkeits- und Degradationsanalyse) entwickelt. In Abhängigkeit der jeweiligen Parametereinstellung können komplexe Einheitszellen mit Fehlstellen und Faserondulationsgebieten modelliert werden. Die iterative, einzelschichtbasierte Versagensanalyse ermöglicht die Abschätzung von Festigkeitskennwerten unvernähter und strukturell vernähter MAG-Laminate unter Scheibenbelastung (Zug, Druck und Schub). Zur Bewertung der Werkstoffanstrengung für Faserbruch wurde das Maximalspannungs-Kriterium, für Zwischenfaserbruch das Wirkebenenkriterium von Puck für den dreidimensionalen Spannungszustand implementiert. Das Nachversagensverhalten wird kontinuumsmechanisch durch Steifigkeitsdegradation nach einem für den dreidimensionalen Spannungszustand modifizierten Chiu-Modell abgebildet. Die nichtlineare Versagensanalyse erlaubt die Berechnung des Schädigungsverhaltens infolge von Zwischenfaserbruch, die Vorhersage des Totalversagens und des ebenen Spannungs- Dehnungs-Verhaltens sowie die Berücksichtigung thermisch bedingter Eigenspannungen und werkstofflicher Nichtlinearitäten. Alternativ zur Einheitszellenmodellierung wurde für den Konstrukteur in der Vorauslegung oder den Anwender in der Verarbeitungstechnik die Möglichkeit geschaffen, Scheibeneigenschaften strukturell verstärkter Laminate mit nahezu beliebigem Schichtaufbau und Nähmuster durch die Verwendung von Kennwerten vernähter, unidirektionaler MAG-Einzelschichten in Verbindung mit analytischen Laminatanalyseprogrammen konservativ abzuschätzen. Zur Vorhersage mit verbesserter Genauigkeit sollte allerdings auf das Finite-Elemente-Einheitszellenmodell zurückgegriffen werden.

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Metadaten
Author:Heiko Heß
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-47200
Serie (Series number):IVW-Schriftenreihe (88)
Advisor:Norbert Himmel
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2017/08/07
Date of first Publication:2009/07/14
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2009/07/14
Date of the Publication (Server):2017/08/08
Number of page:XVI, 208
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)