Beitrag zur experimentellen und simulativen Beschreibung der Delaminations-Initiierung an bauteilnahen Faserverbund-Geometrien
Daniel Frede
Im Rahmen dieser Dissertation wird die Delaminations-Initiierung an gekrümmten CFK-Bauteilen untersucht. Ziel ist es, eine Methodik auf Basis einer FEM-Simulation zur Vorhersage der maximalen Beanspruchbarkeit zu entwickeln. Diese Methode soll auf experimentellen Ergebnissen begründet und validiert sein. Die dazu notwendigen Versuche zur Erzeugung von Delaminationen beinhalten verschiedene Lastfälle, die eine interlaminare Beanspruchung in Form von Zug- und Schubspannung hervorrufen.
Die experimentellen Untersuchungen dienen der Ermittlung der interlaminaren Beanspruchungsgrenzen bzgl. Delamination. Dabei werden die Einflussfaktoren auf die Beanspruchbarkeit gekrümmter Bauteile bis zur Delaminations-Initiierung untersucht. Die ermittelten Versuchsergebnisse zeigen deutliche Einflüsse durch die geometrischen Randbedingungen, also Dicke und Krümmungsradius der Probe, aber auch durch den Lagenaufbau. Weiterhin wird anhand von ARCAN-Proben und verkleinerter Zugproben in Dickenrichtung des Laminates ein Vergleich zwischen gekrümmten und ebenen Strukturen unter Zugbeanspruchung in Dickenrichtung hergestellt. Zur Prognose der Delaminations-Initiierung werden die experimentellen Ergebnisse mit diversen klassischen Versagenskriterien, wie z.B. dem Wirkebenen-Kriterium nach Puck, verglichen. Da keines der untersuchten Kriterien eine ausreichende Prognosegüte erzielt, wird ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Delaminations-Initiierung auf Basis der experimentellen Ergebnisse bestimmt. Die zuvor genannten Einflussfaktoren, wie z.B. der Krümmungsradius, werden dabei berücksichtigt.
Die so entwickelte experimentell abgesicherte Simulations-Methode kann sowohl auf Basis von 3D-Solid-Elementen als auch von Schalen-Elementen eine Prognose der Delaminations-Initiierung ermöglichen. Damit soll schon in einer frühen Konstruktionsphase die Aufmerksamkeit auf mögliche delaminations-kritische Bereiche in Faserverbund-Bauteilen gelenkt werden. Zudem kann der Leichtbaugrad in weniger kritischen Bereichen durch eine Reduktion der Materialstärke und damit durch eine erhöhte Ausnutzung des Werkstoffs maximiert werden.
