Experimentelle und numerische Schädigungsuntersuchungen an der unidirektionalen Einzelschicht kurzglasfaserverstärkter Kunststoffe bei Ermüdungsbeanspruchung unter Berücksichtigung des Hystereseverhaltens und mikromechanische Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495573874

Kurzglasfaserverstärkte Thermoplaste zeichnen sich durch einen heterogenen Materialaufbau aus. Das mechanische Materialverhalten resultiert sowohl aus dem Zusammenspiel der Faser- und der Matrixeigenschaften als auch von der mikrostrukturellen Faserkonfiguration (Massenanteil, Längenverteilung und Orientierung). Die verarbeitungs- und geometriebedingten unterschiedlichen Fließbedingungen im Spritzgießverfahren führen zu einer Schichtstruktur in Dickenrichtung mit unterschiedlich ausgeprägter Faserorientierung, wodurch das mechanische Werkstoffverhalten eine Richtungsabhängigkeit aufweist. Zusätzlich ist das Materialverhalten der thermoplastischen Matrix durch eine Zeit- und Temperaturabhängigkeit gekennzeichnet. Folglich entsteht bei Beaufschlagung einer äußeren Last ein komplexer Beanspruchungszustand innerhalb der mikromechanischen Werkstoffstruktur. Die Wechselwirkungsprozesse auf der Mikroebene bestimmen das makroskopischer Verbundverhalten. Werden lokale Werkstoffgrenzen überschritten, kommt es zu mikromechanischen Schädigungen, wodurch der mechanischen Eigenschaften schrittweise reduziert werden. Wird der Werkstoff zusätzlich mit einer Schwinglast beaufschlagt, tritt außerdem noch ein zyklusabhängiger Risswachstum ein. Um das Werkstoffpotenzial kurzglasfaserverstärkter Kunststoffe voll ausschöpfen zu können, sind allgemeingültige und werkstoffgerechte Versagensmodelle von Nöten. Jedoch stellt die Beschreibung der parallel oder sukzessiv ablaufenden Schädigungsmechanismen insbesondere bei Ermüdungsbeanspruchung weiterhin eine herausfordernde und ungelöste Aufgabe dar.Das geplante Forschungsvorhaben setzt genau dort an. Um die mikromechanischen Mechanismen und Wechselwirkungen besser verstehen zu können, wird ein homogen hochorientierter Probekörper verwendet, der über der Probendicke die gleiche Faserorientierung besitzt. Dies führt dazu, dass die Schichtinteraktion entfällt und die Schädigungsmechanismen direkt in der unidirektionalen Faserschicht untersucht werden können. Darüber hinaus ist es möglich, das makroskopische Werkstoffverhalten direkt mit dem mikromechanischen Beanspruchungszustand zu korrelieren. Daher werden in diesem Forschungsvorhaben Wöhlerversuche an homogen hochorientierten Probekörper durchgeführt und Repräsentative Volumen Elemente für numerische Untersuchungen entwickelt, die die gleiche Werkstoffkonfiguration aufweisen. Somit wird es möglich, die lokale Beanspruchung simulativ zu bestimmen und Wechselwirkungsprozesse hervorgerufen durch Werkstoffschädigung und Viskoelastizität auf der Mikroebene näher zu untersuchen. So wird eine Grundlage geschaffen, allgemeingültige und ganzheitliche Werkstoff- und Ermüdungsmodelle zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen