Entwicklung robuster Interface-Elemente für die Simulation von Delaminations-Prozessen in CFK-Laminaten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Werner Wagner
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 181611900

Die Delamination zweier Lamina tritt aufgrund von Steifigkeitsänderung und fehlender Verstärkung in Dickenrichtung sehr häufig auf. Dabei reichen bereits geringe Lasten aus um ein totales Versagen der Faserverbund-Struktur hervor zu rufen. Zur numerischen Simulation der dünnen Harzschicht zwischen den Lamina werden zum Beispiel Interface-Elemente angewendet. Diese bieten die Möglichkeit neben dem Risswachstum auch die Rissinitiierung darzustellen. Zum Beschreiben des Aufweichverhaltens werden lineare und exponentielle Kohäsivzonen-Modelle angewendet. Der Nachteil dieses Verfahrens ist es, dass der Spannungsverlauf innerhalb der Prozesszone sehr genau abgebildet werden muss. Aufgrund des hohen Spannungsgradienten sind demzufolge sehr viele Elemente innerhalb der sehr schmalen Prozesszone notwendig. Damit wird die Diskretisierung im Delaminationsbereich durch das Interfaceelement und nicht durch die normalerweise verwendeten angrenzenden Schalen-Elemente vorgegeben. Ziel dieser Arbeit ist es die Robustheit diskontinuierlicher Interface-Elemente mittels un-terschiedlicher numerischer Verfahren zu verbessern. Im Forschungsantrag werden die Ergebnisse vergangener Arbeiten sowie vielversprechende weiterführende Arbeiten aufgeführt. In zuletzt durchge-führten Arbeiten wurde die multi-hybride Formulierung nach Hu-Washizu mit bilinearen und speziell angepassten Ansatzfunktionen entwickelt, wodurch die erforderliche Elementabmessung halbiert wer-den konnte. Adaptive Integrationsverfahren sowie Integrationsverfahren hoher Ordnung wurden unter-sucht und letztlich das verschiebungsbasierte bilineare Interface-Element mit quadratischen und Ser-endipity Ansätzen erweitert, wodurch die Biegelinie innerhalb der Prozesszone besser approximiert und die Robustheit gesteigert werden konnte. In weiterführenden Arbeiten wird die gemischte Formu-lierung nach Hellinger Reissner (HR) erarbeitet und in den Element-Algorithmus implementiert. Mittels der zusätzlichen freien Ansatzfunktionen für Spannungen kann deren Verlauf besser approximiert und dadurch die Robustheit gesteigert werden. Weitere Untersuchungen im Bereich der erweiterten Ele-mentkinematik sollen das zu steif reagierende bilineare verschiebungsbasierte Interface-Element auf-weichen und Oszillationen in der Last-Verschiebungskurve vermeiden. Dazu werden zusätzliche Rota-tionsfreiheitsgrade sowie zusätzliche virtuelle Verschiebungsfreiheitsgrade in die Formulierung imple-mentiert. In einem letzten Arbeitsschritt soll das bestehende exponentielle Kohäsivgesetz, das in sei-ner jetzigen Form auf Relativverschiebungen basiert, in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen und dem DLR, in Abhängigkeit der Bruchenergie formuliert werden. Zudem wird das Kontakt- und Mixed-Mode-Problem angegangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen