Autor: Benjamin Begemann

Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell). Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens. Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1). Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.

Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell). Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens. Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1). Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.

Das volle Leichtbaupotential von Faser-Kunststoff-Verbunden wird aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Materialverhaltens zumeist unzureichend ausgenutzt. In der vorliegenden Dissertation wird daher eine analytische Methode entwickelt, die die Evolution von Zwischenfaserbrüchen (ZFB) unter quasi-statischer und zyklischer biaxialer Belastung realitätsgetreuer als bisherige Methoden auf mesoskopischer Ebene nachbildet (progressive damage Modell). Die Modellierung des Werkstoffverhaltens erfolgt abhängig von der äußeren Belastung für die Phasen der Rissinitiierung und des Risswachstums. Eine Shear Lag-Analyse wird zur Abbildung der Rissinitiierung herangezogen. Davon unabhängig erfolgt die Modellierung des Risswachstums auf Basis der Energiefreisetzungsrate. Grundlage der Modellierung ist die Annahme, dass die im Verbundwerkstoff vorliegenden Inhomogenitäten und die daraus hervorgehende Festigkeitsverteilung unabhängig von der Belastungsart sind. Unter dieser Annahme werden die mittels einer Weibull-Verteilungsfunktion generierten Festigkeitsverteilungen aus quasi-statischen Untersuchungen auf Ermüdungsuntersuchungen übertragen. Eine Funktion zur Minderung der Festigkeitsverteilung ermöglicht die Modellierung des Ermüdungsverhaltens. Zur Validierung des Berechnungsmodells wird ein umfangreiches experimentelles Versuchsprogramm anhand von nominell störungsfreien Flach- und Rohrprobekörpern aus endlos glasfaserverstärktem Kunststoff durchgeführt. Hierzu werden Herstellungsverfahren für Flach- und Rohrprobekörper mit beliebiger Laminatschichtausrichtung (weiter-)entwickelt. Eine Software zur Auswertung von Rissbildern wird programmiert sowie der Einfluss von ZFB auf angrenzende Laminatschichten untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen auf Umgebungstemperatur. Die Ermüdungsversuche erfolgen bei einer Frequenz f=5 Hz im Zugschwellbereich (R=0,1). Die experimentellen Untersuchungen zeigen das aus der Literatur bekannte Werkstoffverhalten hinsichtlich der ZFB Entwicklung und der Steifigkeitsdegradation. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen ist es möglich beide Berechnungsmodelle zu validieren. Der mesoskopische Modellierungsansatz ermöglicht folglich die realitätsgetreuere qualitative und quantitative Modellierung der Schädigungsevolution unter quasi-statischer Belastung sowie im ersten Bereich desErmüdungslebens eine Faser-Kunststoff-Verbundes.