Experimentelle und numerische Untersuchung von geschichteten, faserverstärkten Kunststoffen bei Crash-Beanspruchungen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann; Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404502442

Die Auslegung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteilen (CFK) kann basierend auf quasistatischen Materialkennwerten und entsprechenden Materialmodellen für statische Beanspruchungen bereits hohe Genauigkeiten erlangen. In crashrelevanten Anwendungen erfordert der Einsatz von CFK jedoch die Berücksichtigung der Dehnratenabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften, die besonders bei polymeren Matrixwerkstoffen stark ausgeprägt ist. Bekannte Dehnrateneffekte sind beispielsweise die versprödende und verfestigende Wirkung bei hochdynamischer Belastung. Ziel des Projekts ist die Generierung neuer Erkenntnisse im Bereich der Schädigungsmechanismen und -entwicklung in Laminaten aus unidirektional CFK (UD-CFK) bei hochdynamischer Belastung sowie deren numerische Abbildung auf Bauteilebene. Zudem soll die Entwicklung von robuster Prüftechnik und eines Einheitszellenmodells zur numerischen Kennwertermittlung dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Bereich der dehnratenabhängigen Werkstoffkennwerte dienen.In diesem Vorhaben sollen geeignete Prüftechniken entwickelt werden, die eine zuverlässige Bestimmung der mechanischen Kennwerte von UD-CFK bei crashrelevanten Dehnraten bis zu 500 1/s ermöglichen. Auf Basis dieser Kennwerte soll das Werkstoffverhalten unter hochdynamischer Beanspruchung durch eine mehrskalige Modellierung abgebildet und verstanden werden.Zunächst werden die Eingangskennwerte für die Modelle durch hochdynamische Prüfungen an Reinharz- und UD-CFK-Probekörpern bei Dehnraten im gesamten relevanten Bereich bestimmt. Für die hochdynamische Prüfung wird ein vorhandenes Fallwerk eingesetzt, für das die Entwicklung von Einspannvorrichtungen, Probekörpergeometrien und die Adaptierung geeigneter Messtechnik untersucht wird.Auf der Mikroebene wird das Materialverhalten von UD-CFK unter fasersenkrechter Belastung durch ein Einheitszellenmodell unter Abbildung von Faser, Matrix und Interface untersucht. Dieses Modell liefert einerseits einen Beitrag zum Verständnis der Dehnrateneffekte und wird andererseits bezüglich seiner Eignung zur numerischen Materialkennwertbestimmung überprüft. Weiterhin wird eine kontinuumsmechanische Beschreibung von UD-CFK angestrebt, die zur Abbildung des dehnratenabhängigen, anisotropen Materialverhaltens geeignet ist. Die Berücksichtigung der Plastizität und der Schädigung stellen dabei einen Schwerpunkt dar. Darauf aufbauend wird für geschichtete Laminate ein Makromodell aufgesetzt, bei dem die einzelnen Schichten mittels des genannten kontinuumsmechanischen Modells beschrieben werden. Untersuchungen des Delaminationsverhaltens von Laminaten bei hochdynamischer Belastung werden verwendet, um eine Finite-Elemente-Formulierung zu entwickeln, bei der mehrere Schichten des Laminats unter Berücksichtigung der Delamination mit nur einem Element erfasst werden können. Zum Abschluss des Projekts erfolgen zur Validierung des Makromodells numerische und experimentelle Untersuchungen an einem Demonstratorbauteil.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen