Bruchkurvenmodellierung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei mehrachsig nichtproportionaler Ermüdungsbeanspruchung

Möller, Marc Dominik GND

Steigende Rahmenbedingungen infolge von Leitinitiativen und Gesetzesanforderungen um Klimaziele und dem damit verbundenen Übergang zu einer ressourcenschonenderen Wirtschaft erhöhen den Stellenwert des werkstofflichen Leichtbaus und der effektiven Werkstoffausnutzung in verschiedenen Wirtschaftsbranchen. Aufgrund ihrer ausgezeichneten spezifischen Steifigkeit und Festigkeit erfahren Leichtbaumaterialien, wie faserverstärkte Kunststoffe, daher auch in weiteren Wirtschaftssektoren, wie z. B. der Automobilindustrie, in den letzten Jahren zunehmende Beachtung. Obwohl Faser-Kunststoff-Verbunde in anderen Branchen, wie der Windenergie oder der Luft- und Raumfahrt, bereits seit mehreren Dekaden etabliert sind, ist die Auslegung von Bauteilen in ihrem ganzheitlichen Verhalten unter zyklischen Beanspruchungen noch eine große Herausforderung. Verschiedene Richtlinien, welche zum Beispiel auf Basis maximal zulässiger Grenzdehnungen für bestimmte Materialkonfigurationen arbeiten, ermöglichen dem Konstrukteur eine konservative Abschätzung unter Ermüdungsbeanspruchungen. Eine umfassende Lebensdauervorhersage beliebiger mehrschichtiger Verbundarchitekturen unter realen Last-Zeit-Verläufen ist jedoch noch nicht in sich geschlossen möglich. Einige Vorgehensweisen beruhen auf Ermüdungslebensdauermodellen, die sich bei metallischen Werkstoffen etabliert haben, wie der Schadensakkumulationen nach Miner. Diese werden dem Werkstoff jedoch nicht gerecht und erfordern viele experimentelle Untersuchungen, welche nur für den bestimmten Lagenaufbau hilfreich sind. In der vorliegenden Arbeit wird ein progressives Berechnungsmodell fokussiert, welches von mikro- und mesoskopischen Kennwerten der einzelnen Schichten auf das Verhalten des Verbundes schließt. Das Modell basiert auf einer schichten- und lastspielweisen Berechnung der tatsächlichen physikalischen Schädigungen und Schadensfortschritte innerhalb der Einzelschichten des Verbundes und den daraus entstehenden Konsequenzen bezüglich der Tragfähigkeit. Um das progressive Modell den stochastischen Last-Zeit-Verläufen näherzubringen, erfährt besonders die Bruchkurvenmodellierung eine zentrale Betrachtung. Innerhalb der Arbeit werden vor allem die dimensionierenden Zwischenfaserbrüche betrachtet, so dass primär außerachsig beanspruchte Verbunde untersucht werden, bei welchen die Belastungen nicht hauptsächlich in Faserlängsrichtung, sondern in Faserquerrichtung stattfinden. Im Vordergrund steht eine restfestigkeitsbasierte Modellierung der Zwischenfaserbruchkurve. Besondere Bedeutung finden die mehrachsig nichtproportionalen Beanspruchungen, bei welchen die Spannungsverhältnisse der zugrundeliegenden Beanspruchungskomponenten unterschiedlich sind. Das Modell wird an verschiedenen mehrachsigen Beanspruchungen mit konstanten und variablen Amplituden bezüglich der Lebensdauerprognose und Restfestigkeit validiert. Es zeigt sich, dass die Berechnungen zu sehr guten Ergebnissen im Vergleich mit experimentellen Versuchen führen. Die gewonnen Erkenntnisse heben das Potential des Modells auf Basis der restfestigkeitsbasierten Bruchkurvenmodellierungen für die Berechnung von Faser-Kunststoff-Verbunden unter stochastischen Beanspruchungen hervor.

Increasing demands due to upcoming leading initiatives and legal requirements concerning climate targets and the associated transition to a more resource-efficient economy, emphasize the significance of lightweight engineering and the effective use of materials in various economic sectors. Due to their excellent specific stiffness and strength, lightweight materials, like fibre-reinforced plastics, have therefore been gaining a higher degree of importance in new industries in recent years, such as for example the automotive industry. Although fibre-reinforced plastics have been established in other industries for several decades, such as wind energy or aerospace, the design of components in their holistic behaviour under both static and fatigue loads is still a major challenge. Various guidelines, which for example work on the basis of maximum strain limits for certain material configurations and loading conditions, enable the designer to make a conservative estimation under fatigue loads. However, a comprehensive lifetime prediction of any multidirectional composite architecture under real load-time function is currently not possible. Some approaches are based on concepts that have been established for metallic materials, such as damage accumulation according to Miner. These, however, do not do justice to the material and require many experimental investigations, which are only useful for the specific layer sequence. In the present work, the focus is placed on a progressive computational model, which concludes on the behaviour of the multidirectional composite based on micro- or mesoscopic basic parameters of the individual layers. The model is based on a layer- and cyclewise calculation of the actual physical damage mechanisms within the individual layers of the composite and the resulting consequences for the composite in terms of their load-bearing capacity. Within this thesis, especially the critical inter-fiber failure is considered. In order to bring the progressive model closer to the calculation under stochastic load-time functions, a model for the inter-fibre fatigue-failure envelope model is given a central consideration in the present work. A residual strength-based modelling of the inter-fibre fatigue-failure envelope is presented, which takes into account various phenomena within stochastic loads. For this reason, the investigations are mainly carried out on off-axis composites, where the loads do not mainly occur in the longitudinal direction of the fibres but in the transverse direction. Special importance is attached to the consideration of multiaxial non-proportional loads where the stress ratios of the underlying stress components are different. For this purpose, the model is validated on various multiaxial loads with constant and variable amplitudes with regard to the lifetime prognosis and the residual strength. It is shown that the calculations lead to very good results in comparison to experimental tests. The obtained results highlight the potential of the progressive damage model based on the residual strength-based failure envelope for the calculation of fibre-reinforced plastics under stochastic loads.

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Möller, Marc Dominik: Bruchkurvenmodellierung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei mehrachsig nichtproportionaler Ermüdungsbeanspruchung. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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