Development of failure mode related degradation models for carbon fibre reinforced textile com-posites with non-crimped threads
Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
Final Report Abstract
Für die Anwendung neuartiger Werkstoffe wie etwa textilverstärkter Verbundwerkstoffe in sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen sind verlässliche Aussagen über deren Versagens- und Schädigungsverhalten erforderlich. Dies erfordert zum einen die Bereitstellung geeigneter Degradationsmodelle und zum anderen experimentelle Verfahren, mit denen die charakteristischen Schädigungsphänomene zuverlässig und präzise detektiert werden können. Das geförderte Vorhaben hat sich diesen Fragestellungen gewidmet. Zur phänomenologischen Schadensdiagnostik ist eigens ein neuartiger In-Situ-Computertomographie-Prüfstand entwickelt worden. Im Unterschied zu anderen Diagnosemethoden wie der konventionellen Computertomographie, Ultraschallanalysen oder der Untersuchung von Schliffbildern ermöglicht die In-Situ-Computertomographie erstmals eine Klassifizierung der Schädigungsprozesse von textilverstärkten Verbunden noch während der Belastung. Am Beispiel 3D-kohlenstofffaserverstärkter Epoxidharzverbunde und vieler weiterer Leichtbauwerkstoffe wurde nachgewiesen, dass sich bereits kleinste Mikrorisse und Delaminationen mit hoher Auflösung und Genauigkeit nachweisen lassen. Die In-Situ-Computertomographie ist damit herkömmlichen experimentellen Methoden zur Schadensdiagnostik weit überlegen. Die neue experimentelle In-Situ-CT-Messmethode wurde dazu genutzt, das sukzessive Versagensverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Verbunden mit gestreckten Fadenlagen zu untersuchen. Dabei standen einachsige in-plane und out-of-plane-Belastungszustände, mehrachsige Belastungen sowohl mit sequenzieller als auch mit simultaner Lastaufbringung, quasi-statische Belastungen mit Lastumkehr sowie Belastungen mit in-plane-out-of-plane-Last-richtungswechsel im Vordergrund der Untersuchungen. Die bei den Experimenten gewonnenen phänomenologischen Erkenntnisse zu Schädigungsbeginn und -fortschritt, Rissschließungs- und Rissöffnungseffekten, Lastumlagerungsprozessen und Schädigungsinteraktionen flossen in die Entwicklung verbesserter bruchmodebezogener Degradationsmodelle für Textilverbunde ein. Diese Modelle erlauben die Berücksichtigung der nichtlinearen Steifigkeitsdegradation, irreversibler Deformationen und dehnratenabhängiger Materialeigenschaften während der Spannungs-Dehnungs-Analyse. Für die untersuchte Werkstoffklasse haben die Modelle damit eine praktische Anwendungsreife erlangt.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2015.01.020)
