Analyse und Modellierung des Schädigungsverhaltens faserverstärkter Kunststoffe bei zyklischer Beanspruchung mit Lastrichtungsumkehr

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bodo Fiedler; Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281870175

Gegenstand des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der auf unterschiedlichen Skalen ablaufenden Schädigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen bei Schwingbeanspruchung mit Lastrichtungsumkehr. Ziel des Vorhabens ist die physikalisch basierte Verallgemeinerung vorhandener Schädigungsevolutionsmodelle für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als essentieller Bestandteil der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von faserverstärkten Bauteilen.Aufgrund des mehrskalig inhomogenen Aufbaus des Werkstoffs wird ein kombinierter numerisch/experimenteller sowie skalenübergreifender Ansatz zur Untersuchung der Schädigung gewählt. Die Art und Ausprägung von Schädigung bei zyklischer Belastung wird, unabhängig von der betrachteten Skalenebene, vor allem von der aufgeprägten Mittelspannung und Amplitude und damit von dem Vorzeichen und der Orientierung des variierenden Lastvektors bezüglich der Faserrichtung bestimmt. Als besondere Herausforderungen bei der realistischen Modellierung des Schädigungsverhaltens von mehrschichtigen Verbundwerkstoffen wurden die gegenwärtig nur unzureichend verstandenen Phänomene der Zug-Druck-Asymmetrie von Steifigkeit und Festigkeit, der Interaktion zug- und druckinduzierter Schädigung (passive Schädigung) sowie die realistische Berücksichtigung zuginduzierter Delaminationen bei nachfolgenden Druckbelastungen identifiziert. Im Forschungsvorhaben werden hierzu die Schädigungsphänomene und das Degradationsverhalten auf der Filamentebene (Mikroebene) sowie auf der Schichtebene (Meso-Makro-Ebene) mit Hilfe von zyklischen Versuchen an mikroskopischen Modellverbunden, Einzelschichten und Laminaten unter Einsatz vor allem der optischen Spannungsanalyse und der in-situ-Computertomografie eingehend analysiert. Mit Hilfe weiterführender numerischer Analysen auf Mikroebene werden physikalisch begründete mathematische Formulierungen für das veränderliche Spannungs-Verzerrungs-Verhalten bei zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr formuliert. Die erarbeiteten mathematischen Ansätze werden in das bereits für schwellende Ermüdungsbelastung bewährte FE-basierte Ermüdungs-Schädigungs-Modell des Instituts für Statik und Dynamik (ISD) implementiert. Damit wird es möglich, die derzeitige Beschränkung der bekannten Modellansätze auf zumeist einstufige und schwellende Beanspruchungen zu überwinden und einen wesentlichen Entwicklungsschritt zu einer realistischen Lebensdaueranalyse von FKV bei Betriebsbeanspruchung zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen