Simulation des sukzessiven Bruchgeschehens in Faserverbundlaminaten unter Berücksichtigung materieller Nichtlinearitäten
Enrico Stelldinger
Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Simulation sukzessiver Schädigungsvorgänge in faserverstärkten Kunststoffen. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen der Spannungs- und Verformungsanalyse erläutert und Modelle zur Beschreibung des nichtlinearen Materialverhaltens, zur Durchführung von Versagensanalysen und der Steifigkeitsdegradation faserverstärkter Kunststoffe vorgestellt. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Modelle werden ausführlich diskutiert. Der Fokus liegt hierbei auf materiellen Nichtlinearitäten, die insbesondere unter Druck- und Schubbelastung bereits vor Erreichen der eigentlichen Festigkeitsgrenze auftreten können. Hierzu wird ein Modell für ebene Spannungszustände erweitert, so dass auch dreidimensionale Spannungszustände behandelt werden können. Darüber hinaus werden die sogenannte Verzerrungsinteraktion und der Einfluss hohen hydrostatischen Drucks auf die Steifigkeits- und Festigkeitskennwerte berücksichtigt. Im Anschluss daran wird die numerische Umsetzung dieser Modelle in Form der Abaqus-Benutzerunterprogramme UMAT und VUMAT beschrieben. Schließlich wird durch einen Vergleich von experimentell gewonnenen Daten mit den Ergebnissen von FE-Simulationen von Torsions- und Impactversuchen an CFK-Rohrproben, die Leistungsfähigkeit der implementierten Modelle demonstriert. Es wird gezeigt, dass die Modelle auch das Versagensverhalten komplexer Strukturen, wie z.B. Rohrproben aus einem CFK-Kautschuck-Verbund unter Impactbelastung, gut abbilden. Hierbei gelingt es die experimentell ermittelte Verbesserung des Impactverhaltens des CFK-Kautschuck-Verbundes, im Vergleich zu einem herkömmlichen CFK-Verbund, mit numerischen Simulationen nachzubilden.
