Berücksichtigung prozessinduzierter Effekte in der Auslegung von Faser-Kunststoff-Verbunden

In der Produktentwicklung und speziell im Leichtbau, ist die Kenntnis über den verwendeten Werkstoff entscheidend. Je größer das Wissen über den Werkstoff, wie er unter unterschiedlichen Bedingungen reagiert, umso präziser kann die Auslegung des Produktes auf die gestellten Anforderungen hin geschehen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind, wie der Name bereits verrät, ein Verbund aus zwei Werkstoffen, der Faser und der Matrix, welche sich im Verbund ergänzen. Die resultierenden Eigenschaften eines Verbundwerkstoffes hängen demnach von den Eigenschaften der Verbundpartner, der Konstituenten, ab. Neben den Eigenschaften der Konstituenten beeinflusst auch ihre Zusammensetzung und eine Reihe von Qualitätsparametern, wie Lufteinschlüsse und die Welligkeit der Fasern, die resultierenden Werkstoffeigenschaften. Die Qualitätsparameter von FKV werden maßgeblich von deren Fertigungsprozessen beeinflusst, weshalb es wichtig ist die Zusammenhänge zwischen den Fertigungsprozessen und den Werkstoffeigenschaften zu kennen.
Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, welche die systematische Integration prozessinduzierter Einflüsse in die Berechnung von Strukturen aus FKV ermöglicht. Die Qualitätsparameter bilden dabei das Bindeglied zwischen den Prozessen und den Eigenschaften des FKV. Die Einflüsse der Qualitätsparameter fließen innerhalb eines Multiskalenmodells zur Berechnung von Laminaten ein, was eine Integration der Prozesse in die Auslegung ermöglicht.
Die Arbeit zeigt das Vorgehen der Methode anhand von Faserwelligkeiten, Gaps und Lagenwelligkeiten in Laminaten aus FKV. Die Faserwelligkeiten werden auf Ebene der FKV integriert, indem effektive Steifigkeiten und Festigkeiten für den beeinflussten Verbundwerkstoff bestimmt werden. Dabei werden auch die inhärenten Zufälligkeiten der Faserwelligkeiten berücksichtigt. Gaps, und die daraus resultierenden Lagenwelligkeiten, werden auf der Laminatebene modelliert und deren Einflüsse auf die Laminatsteifigkeiten und Versagenslasten der Laminate analysiert. Alle untersuchten Fertigungseinflüsse werden zudem mittels experimenteller Untersuchungen analysiert und zu den Erkenntnissen der simulativen Untersuchungen referenziert. Die Methode wird schließlich, mit den gewonnenen Erkenntnissen, an der Berechnung eines Hautfeldes eines Flugzeugrumpfs exemplarisch demonstriert.