Zum Verhalten von kohlenfaserverstärktem Kunststoff bei faserparalleler Druckbelastung
Fabian Preller
Die hohen gewichtsspezifischen Eigenschaften kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) können nur dann genutzt werden, wenn eine werkstoffgerechte Auslegung erfolgt. Diese umfasst eine Festigkeitsanalyse, die das komplexe Verhalten des heterogenen Werkstoffverbundes berücksichtigt.
Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis des Versagensgeschehens im Werkstoff leisten. Es werden zunächst grundsätzliche werkstoffliche Zusammenhänge aufgezeigt, die durch eigene Untersuchungen zum mikrostrukturellen Verhalten gestützt werden. Es wird schlüssig dargestellt, wie eng das Verhalten des Werkstoffverbundes bei faserparalleler Druckbelastung mit seinem komplexen Steifigkeitsverhalten verknüpft ist.
Da seit jüngster Zeit geeignete Modelle zur rechnerischen Abbildung dieses Steifigkeits-verhaltens und zur physikalisch fundierten, makroskopischen Darstellung der inneren werk-stofflichen Zusammenhänge bei faserparallelem Druck existieren, wird eine geeignete Kombination dieser Modelle realisiert und in den üblichen modernen Auslegungsprozess integriert.
Die Ergebnisse dieser Modellkombination sind insbesondere für Spannungskombinationen von hohen faserparallelen und fasersenkrechten Druckspannungen von großer Bedeutung, da sich in diesem Bereich die bisher etablierten Festigkeitsmodelle deutlich voneinander unterscheiden. Die erzielten rechnerischen Ergebnisse können mit umfangreichen eigenen experimentellen Untersuchungen gestützt bzw. bewertet werden.
Durch die Integration der vorgestellten Arbeiten in eine moderne Software zur Laminat-auslegung sind die Erkenntnisse für den Konstrukteur direkt nutzbar. Der Werkstoff CFK kann mit einer höheren Sicherheit im Bereich hoher faserparalleler Spannungen ausgelegt werden. Da die faserparallele Druckfestigkeit häufig die begrenzende Größe im Auslegungsprozess darstellt, kann somit das Potenzial des Werkstoffs zukünftig gezielter ausgeschöpft werden.
