Simulationsmodell zur Entstehung und Detektion von Schäden in Faserverbundstrukturen
Sebastian Guder
In dieser Arbeit wurde ein zweidimensionales Simulationsmodell entwickelt, das die Themengebiete Schadensentstehung und Detektion an FKV-Strukturen miteinander verbindet. Dazu wurde ein Kohäsivzonenmodell zur Berechnung der Rissausbreitung und ein Thermographiemodell zur Simulation der Temperaturverteilung in Matlab implementiert. Die beiden Konzepte wurden jeweils getrennt voneinander systematisch untersucht und schließlich in einem Gesamtmodell zusammengeführt.
Die Schädigungssimulation wurde am Beispiel des DCB-, ENF- und MMB-Tests zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Rissmoden durchgeführt. Als Material wurde CFK mit unidirektionalem Lagenaufbau verwendet. Die erzielten Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den zum Vergleich herangezogenen analytischen Lösungen und deckten sich mit den Aussagen aus der Literatur.
Im Rahmen der Thermographiesimulation wurden ebenfalls balkenförmige Modelle untersucht. Es wurde ein orthotropes Materialmodell mit homogenisierten thermischen Eigenschaften von CFK verwendet. Durch eine Parameterstudie wurden verschiedene Einflussparameter des numerischen Modells untersucht, so dass eine sinnvolle Elementgröße und ein Zeitschritt für die transiente Berechnung ermittelt werden konnten. Als thermische Anregung wurde im Zeit bereich ein Rechteckimpuls und im Geometriebereich eine konstante Verteilung gewählt. Ein Vergleich von Luft und Teflon als Material eines künstlichen Defekts, zeigte einen wesentlich größeren thermischen Kontrast für einen Lufteinschluss. Ein Teflon-Insert zur Erzeugung einer künstlichen Fehlstelle führt demnach zu anderen Ergebnissen bei einer Thermographiemessung als ein realer mit Luft gefüllter Riss.
Zur Verbindung der Teilmodelle wurde ein DCß-Modell herangezogen, dass in zwei unterschiedlich stark geöffneten Zuständen untersucht wurde. Sowohl im Modell mit einer geringen Rissöffnung ohne Risswachstum, als auch im Modell mit einem über die elastische Verformungsgrenze geöffneten Riss, konnte die Thermographiesimulation erfolgreich angewendet und die aus der Literatur bekannte Abhängigkeit der Defekthöhe auf das Thermographieergebnis bestätigt werden.
