Analyse und Modellierung des Schädigungsverhaltens faserverstärkter Kunststoffe bei zyklischer Beanspruchung mit Lastrichtungsumkehr
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsvorhaben wurde das Schädigungs- und Versagensverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei zyklischer Belastung experimentell untersucht und mathematisch beschrieben. Der Fokus wurde dabei auf Kreuzlaminate gelegt. Die Arbeiten zeigen deutlich, dass das Schädigungsverhalten mehrschichtiger Verbundwerkstoffe bei zyklischer Belastung vom Fertigungsprozess und vom Werkstoffverhalten auf verschiedenen Skalenebenen beeinflusst wird. Auf der Meso- und Makroebene ist die Schädigung der eingebetteten 90°-Schicht durch die Entwicklung von Zwischenfaserbrüchen und davon ausgehender Delaminationen gekennzeichnet. Die Rissentstehung und das Wachstum sind dabei neben der äußeren Belastung vor allem auch von den fertigungsbedingten Eigenspannungen geprägt. Damit ergibt sich die lokale Schwingbeanspruchung als Superposition der zeitlich weitgehend konstanten Eigenspannungen und der äußeren Beanspruchung. Die Eigenspannungen lassen sich anhand der bleibenden Rissöffnung im unbelasteten Zustand bestimmen. Mit Hilfe der finiten Bruchmechanik wird darauf aufbauend ein einheitliches Rissdichtefortschrittsgesetz bestimmt, mit dem das mittelspannungs- und amplitudenabhängige Steifigkeitsverhalten infolge Rissdichtezunahme beschrieben werden kann. Es konnte ein komplexes, von der Belastungsspannweite abhängiges Delaminationsverhalten ausgehend von Zwischenfaserbrüchen beobachtet werden. In weiteren Forschungsarbeiten sollten tiefergehende numerische Analysen zum zeitlich veränderlichen Delaminationsfortschrittsverhal-ten durchgeführt und darauf aufbauend spezifische Rissfortschrittsexperimente entwickelt werden. Auf der Mikroebene wurde der Einfluss des viskoelastischen Matrixverhaltens auf den Spannungszustand untersucht. Durch Modellierung des Matrixverhaltens lassen sich die Eigenspannung und die Umverteilung der Spannung nach Lastaufbringung sowohl auf der Mikroebene als auch homogenisiert auf der Makroebene berechnen. Bei kraftgeregelten Ermüdungsprüfungen an Einzelschichten und in der begleitenden Simulation wurde keine sukzessive Schädigungsakkumulation bis zur Endphase der Lebensdauer beobachtet. Anhand dieser Beobachtung wurde ein energiebasierter Ansatz zur Lebensdauerberechnung entwickelt. In weiteren Forschungsarbeiten sollten umfangreiche Experimente zur Validierung dieses Ansatzes durchgeführt werden. Mit Hilfe der DMTA und der FTIR lässt sich der mikroskalige Werkstoffzustand der Matrix charakterisieren. Es wurde gezeigt, dass es sowohl bei der Ermüdungsbelastung als auch bei stehenden Lasten zu physikalischen Effekten in Form von Polymerausrichtung und zu chemischer Degradation in Form von Bindungsbrüchen kommt. Exemplarisch konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Infrarotspektroskopie der Schädigungszustand, sowie die Restfestigkeiten nach thermischen Lasten quantifiziert werden können und die Belastungshistorie mit Methoden des maschinellen Lernens vorhergesagt werden kann. Derzeit laufende weiterführende Untersuchungen werden das Modell mit Informationen bezüglich der oben genannten mechanischen Einflussfaktoren erweitern und die Schädigungsgradienten während der Lebenszeit und die Interaktionen aufschlüsseln. Weiterhin wird die Methodik langfristig auf Glasfaserverbunde erweitert und in eine Anwendung überführt werden. Das auf der Meso- und Makroebene eingesetzte FE-basierte Ermüdungsschädigungsmodell (ESM) wurde auf Grundlage der beobachteten Schädigungsphänomene weiterentwickelt. Neben der Erweiterung des ESM zur Analyse von variablen Amplituden wurde insbesondere der Einfluss der fertigungsbedingten Eigenspannungen in der Simulationsumgebung berücksichtigt. Die Auswirkungen von Lastrichtungswechseln auf das Ermüdungsverhalten sowie Effekte der Lastreihenfolge werden hierbei wiedergegeben. Durch die getätigten Modellerweiterungen sowie der Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen ist damit ein wesentlicher Entwicklungsschritt zu einer realistischen Lebensdaueranalyse gelungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Discussions on the influence of residual stresses to the fatigue of layered polymer composites, 2nd International Symposium on Multiscale Experimental Mechanics, ISMEM 2017, Lungby (Denmark), 08.-09.November 2017, pp. 66-67
Koch, I.; Just, G.; Gude, M.
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Influence of manufacturing induced residual stresses to fatigue cracking of CFRP, ICFC 7 - the Seventh International Conference on Fatigue of Composites, Vicenza, Italy, 4-6 July 2018
Koch, I.; Just, G.; Brod, M.; Jansen, E.; Gude, M.; Rolfes, R.
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Micromechanical Investigations on the Damage Process in Continuous Fiber Reinforced Plastics (FRP) under cyclical loading. SAMPE 2018 Technical Conference. Long Beach, California, USA, 2018
Hopmann, C.; Marder, J.; Chen, J.
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Simulation of the fatigue damage behavior of carbon composites under consideration of manufacturing induced residual stresses, ICFC 7 - the Seventh International Conference on Fatigue of Composites, Vicenza, Italy, 4-6 July 2018
Brod, M.; Just, G.; Jansen, E.; Koch, I.; Rolfes, R.; Gude, M.
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Experimental and numerical investigation of the properties of the fibermatrix-interface of CFRP using model composites, Journal of Plastics Technology 15 (2019) 1, S. 95-119
Hopmann, C.; Marder, J.; Chen, J.
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Numerical modelling and simulation of fatigue damage in carbon fibre reinforced plastics at different stress ratios, Thin-Walled Structures, (139), S. 219-231, 2019
Brod, M.; Just, G.; Dean, A.; Jansen, E.; Koch, I.; Rolfes, R.; Gude, M.
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Prediction of Thermal Exposure and Mechanical Behavior of Epoxy Resin Using Artificial Neural Networks and Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Polymers, MDPI, 2019, 11, 363
Doblies, A.; Boll, B.; Fiedler, B.
