Untersuchung und Simulation der schädigenden Wirkung von transversalen Stoßlasten auf Faserverbundkunststoffe

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) sind aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften ein bestens geeigneter Werkstoff für die Anwendung in Leichtbaustrukturen. Allerdings weisen die Verbundwerkstoffe unter bestimmten Belastungsformen zum Teil gefährliche Schwächen auf. Bei stoß-förmigen Lasten, die senkrecht zur Laminatebene wirken, kommt es teils zu intensiven, von außen häufig nicht erkennbaren Beschädigungen der Materialstruktur. Ein Lastfall, der für diese äußerlich kaum sichtbaren Schäden verantwortlich gemacht wird, ist der sogenannte Low-Velocity-Impact. Die verbleibende Integrität des FVK kann bei dieser Beschädigung stark herabgesetzt werden und es besteht das Risiko, dass die Struktur nicht länger in der Lage ist die vorgesehenen Belastungen zu tragen. Dies stellt die wesentliche Motivation der vorliegenden Arbeit dar, welche die Vorgänge in stoßbelasteten Faserverbundmaterialien experimentell untersucht und daraus voraussagende numerische Modelle entwickelt, die in der Lage sind, sowohl Stoßschäden als auch deren Wirkung auf die Restintegrität abzubilden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen aus verschiedenen Modellansätzen und unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Einschränkungen, ist es möglich, einen mesoskopischen Modellansatz aus einer bruchmechanischen Einheitszelle zu entwickelt. Dieser Ansatz bietet eine detaillierte Vorhersage der Stoßschädigung durch diskretes Auftrennen des FE-Netzes, wodurch die Lastumverteilung und die Wechselwirkung zwischen intralaminaren Schäden und Delaminationen abgebildet werden kann. Auch bei der Simulation des zweistufigen Restfestigkeitsversuchs liefert dieses Modell sehr exakte Ergebnisse. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur Auslegung und Absicherung von Faserverbundstrukturen bei Stoßlasten.