Experimentelle und virtuelle Analyse von Drapiereffekten und deren Auswirkungen auf das strukturmechanische Verhalten von Faserverbundkomponenten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professorin Dr.-Ing. Luise Kärger
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287275762

Durch den Einsatz von Hochleistungs-Faserverbundkunststoffen lässt sich die Masse tragender Bauteile erheblich reduzieren. Diese Werkstoffklasse hat sich für sicherheitsrelevante Mittel- und Großserienanwendungen aber noch nicht durchgesetzt, da das reale Werkstoffverhalten nicht hinreichend genau vorhersagbar ist. Ein Grund hierfür ist die erhebliche Diskrepanz zwischen der realen, durch die Prozessführung maßgeblich beeinflussten Werkstoffstruktur und den idealisierenden Annahmen der vorhandenen Modelle für die Struktursimulation. Je nach Komplexität der Bauteilgeometrie ist die Faserarchitektur sehr inhomogen, enthält variierende Faserorientierungen und Faservolumengehalte sowie lokale Drapiereffekte wie Überlappungen, Faserklaffungen und Ondulationen. Komplex geformte Faserverbund-Bauteile können nur dann zuverlässig ausgelegt werden, wenn diese Drapiereffekte experimentell diagnostiziert und im Rahmen der Struktursimu-lation auf geeignete Weise berücksichtigt werden.Ziele des Vorhabens sind daher die Entwicklung von Methoden, die Drapiereffekte in unidirektional verstärkten Faserverbunden präzise erfassen, die Erarbeitung von Materialmodellen, die die Auswirkungen der Drapiereffekte beschreiben, sowie die Entwicklung einer durchgängigen virtuellen Prozesskette. Am Beispiel unidirektional gelegeverstärkter Kohlenstofffaser/Epoxidharz-Verbunde sollen Drapiereffekte, die infolge des Preformings entstehen, gezielt in die Auslegung einbezogen werden. Zunächst soll experimentell untersucht werden, wie Diskontinuitäten beim Drapiervorgang entstehen und wie sie die Verbundeigenschaften beeinflussen. Darauf aufbauend werden die strukturmechanischen Auswirkungen dieser Imperfektionen untersucht und quantifiziert, u.a. mit Hilfe der In-Situ-Computertomographie. Um Drapiereffekte im Rahmen einer CAE-Kette zu berücksichtigen, ist es notwendig, diese Imperfektionen bereits während der Drapiersimulation zu lokalisieren. Daher werden Drapiersimulationen am Beispiel eines generischen Demonstratorbauteils durchgeführt und experimentell validiert. Zur strukturmechanischen Analyse der Drapiereffekte werden Simulationsmodelle auf Meso-Ebene entwickelt und validiert, die die UD-Gelegestruktur mit allen relevanten Drapiereffekten diskret abbilden. Die experimentell und durch die Mesomodelle generierten Erkenntnisse sollen schließlich in homogenisierte, makromechanische Materialmodelle überführen werden, die das Deformations- und Schädigungsverhalten des inhomogenen Materials unter Berücksichtigung der Drapiereffekte auf der Makroebene hinreichend genau berechnen können. Das abschließende Ziel besteht darin, die identifizierten Drapiereffekte und deren Auswirkungen in einer geschlossenen CAE-Kette geeignet abzubilden. Eine solche durchgängige Prozess- und Struktursimulationskette verspricht große Vorteile bei der Auslegung gelegeverstärkter Verbundbauteile und damit eine verbesserte Ausschöpfung des Leichtbaupotentials von Hochleistungs-Faserverbunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Robert Böhm