Schädigungsanalyse von gewebeverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden unter überlagerter in-plane/out-of-plane-Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269649711

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von werkstoffgerechten Prüfmethoden für die Festigkeitsanalyse gewebeverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) unter überlagerter in-plane/out-of-plane-Beanspruchung als Grundlage für die zuverlässige Auslegung von hoch-beanspruchten Leichtbaustrukturen. Überlagerte Spannungszustände sind charakteristisch für die Lasteinleitungsbereiche von FKV-Bauteilen wie etwa bei Triebwerk-Fanschaufeln oder bei Profilantriebswellen und setzen sich hauptsächlich aus Zug- oder Schubspannungen in der Verbundebene und Druckspannungen quer zur Verbundebene zusammen. Derzeit fehlen jedoch für die Dimensionierung von solchen Bereichen zuverlässige Werkstoffkennwerte und geeignete Versagenskriterien, die solche Spannungsinteraktionen und den Einfluss der spezifischen Gewebearchitektur auf das Werkstoffversagen berücksichtigen. Im Fokus der Untersuchungen stehen daher kohlenstofffaserverstärkte Duroplast-Verbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Leinwandgewebeverstärkungen, wobei der Einfluss der charakteristischen kompaktierten Gewebearchitektur mit entsprechender Faserondulation und der daraus resultierenden Verzahnung benachbarter Gewebeeinzellagen untereinander auf die Werkstofffestigkeiten untersucht werden soll.Mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden geeignete Prüfkörpergeometrien für die Induzierung von Längszug/Querdruck- und Querschub/Querdruck-Beanspruchungen erarbeitet. Schwerpunkte dabei sind die Auswahl geometrischer Parameter zur Abminderung von Spannungsüberhöhungen sowie die Reduktion von Reibeinflüssen im Bereich der Drucklasteinleitung über die Druckstempel. Die Fertigung der für die experimentellen Versuche notwendigen Prüfkörper in ausreichend großer Dicke und reproduzierbarer Qualität erfolgt mit einem hinsichtlich Temperaturführung und Aushärteprozess angepassten Resin-Transfer-Moulding-Verfahren. Die reale Gewebearchitektur im kompaktierten und konsolidierten Laminat wird mittels computertomographischer (CT) Aufnahmen analysiert und dokumentiert. Die Durchführung der experimentellen Werkstoffprüfungen bei verschiedenen Lastpfaden erfolgt mit Hilfe einer servohydraulischen Planar-Biaxial-Prüfmaschine mit vier Aktuatoren. Zur Beschreibung der experimentell ermittelten Bruchphänomene bzw. der Bruchvorgänge werden die Bruchflächen der Prüfkörper mittels Mikroskopie analysiert und charakterisiert. Neben den experimentellen Prüfungen werden virtuelle Prüfungen auf Basis der Finite-Elemente-Methode an repräsentativen Volumenelementen durchgeführt. Hierzu werden die Erkenntnisse aus den CT-Analysen zur realen, kompaktierten Gewebearchitektur in das Finite-Elemente-Modell implementiert. Basierend auf den experimentellen und numerischen Erkenntnissen zur Versagenschronologie und den Bruchmoden bei den kombinierten Spannungszuständen sollen geeignete Ansätze zur Beschreibung des Werkstoffversagens unter besonderer Berücksichtigung der Gewebearchitektur erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Manuela Andrich