Schädigungsanalyse von gewebeverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden unter überlagerter in-plane/out-of-plane-Beanspruchung
Leichtbau, Textiltechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Vorhabens konnten zwei Prüfmethoden zur biaxialen Werkstoffcharakterisierung von gewebeverstärkten Faser-Kunststoffverbunden für eine (τ31/σ3 )- bzw. (σ1+/σ3-)- Spannungsüberlagerung entwickelt, validiert und patentiert werden. Dazu wurden in numerischen Analysen beanspruchungsgerechte Prüfkörper- und Stempelgeometrien abgeleitet, die einen homogenen Spannungszustand im maßgebenden Prüfbereich ermöglichen. Durch die so erarbeiteten Geometrien ist nunmehr eine Applikation von Aufleimern zur Reduktion von Spannungsüberhöhungen im Prüfbereich bei einer Biaxialprüfung zur Analyse des (σ3-)-Einflusses nicht mehr notwendig. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstofftechnik (IWT) der TU Freiberg konnten die neuartigen Prüfkörper und Einspannvorrichtungen erfolgreich in ein servohydraulisches planar-biaxiales Prüfmaschinekonzept implementiert und die Funktionsweise nachgewiesen werden. Zur experimentellen Untersuchung des Einflusses der spezifischen Gewebearchitektur auf das Schädigungsverhalten wurden drei Leinwandgewebe mit definierten Flächengewichten ausgewählt, da bei dieser Bindungsart die Ausbildung einer Verzahnung am stärksten ausgeprägt ist. Die gewebespezifischen Kennwerte wurden auf Basis versuchsbegleitender computertomographischer Analysen zum Kompaktierungsverhaltens der gewählten Gewebetypen ermittelt. Hierbei zeigte sich bereits eine ausgeprägte Streuung der geometrischen Parameter der untersuchten Gewebelagen. Durch die Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Gewebeondulation bei einer (σ1+ /σ3-)-Spannungskombination nicht wie angenommen im (σ3-)-dominierten Bereich sondern im zugdominierten Bereich auftritt. Dieses Phänomen konnte in numerischen Analysen von idealisierten repräsentativen Gewebeeinheitszellen validiert werden. Darüber hinaus konnten sowohl die erarbeitete (τ31/σ3-)-Prüfmethodik auf Basis ausgewählter off-axis-Versuche für den Bereich moderater σ3- -Überlagerungen als auch die Lastfälle, in denen kein interlaminares Schubversagen sondern ein faserparalleles Zugversagen im Kerbbereich zu beobachteten war, in der umfangreichen numerischen Simulation validiert werden. Weiterhin konnte im Rahmen des Vorhabens gezeigt werden, dass sowohl die Gewebekonfiguration und als auch die Überlagerung einer faserparallelen σ1+ -Beanspruchung einen signifikanten Einfluss auf den Spannungszustand im Interfacebereich haben. Hierbei zeigt sich sehr deutlich, dass über die bisherigen Untersuchungen hinaus, weitere numerische und experimentelle Untersuchungen insbesondere unter Berücksichtigung der ausgeprägten Parameterstreuung zur umfänglichen probabilistischen Beschreibung der Versagens- und Spannungsinteraktion im Interfacebereich notwendig sind. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelten Methoden und Abhängigkeiten fokusieren bislang ausschließlich auf eine quasi-statische Beanspruchung der Prüfkörper. Die Auswertung der dargestellten Vorhabensergebnisse zeigt allerdings eindeutig, dass darüber hinaus ein bedeutend größerer Einfluss auf den interlaminaren Rissfortschritt bei einer derartigen zyklischen Beanspruchung zu erwarten ist. Hier besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf, der ein einem gemeinsamen Folgevorhaben des ILK und des IWT adressiert werden soll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental-numerical test strategy for evaluation of curing simulation of complexshaped composite structures. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Bd. 47 (2016), Nr. 11, S. 1072–1086
Gude, M. ; Schirner, R. ; Müller, M. ; Weckend, N. ; Andrich, M. ; Langkamp, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.201600632) - In-situ computed tomography of the compaction behaviour of single-ply and multi-ply carbon fibre woven fabrics. In: The 10th Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM-10). Bexco in Busan, Korea, 2016
Schirner, R.; Süß, M. ; Gude, M.
- Through-thickness compression testing of fabric reinforced composite materials: Adapted design of novel compression stamps. In: Polymer Testing Bd. 56 (2016), S. 269–276
Gude, M. ; Schirner, R. ; Weck, D. ; Dohmen, E. ; Andrich, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2016.10.024) - Experimental and numerical investigation of appropriate CFRP specimen designs for inducing in-plane tensile/through-thickness compressive and interlaminar shear/through-thickness compressive stress states. In: Proccedings of the 8th International Conference on Composites Testing and Model Identification. Leuven, 2017
Böhm, H.; Schirner, R.; Gude, M.; Böhm, R.
- Verfahren und Vorrichtung zur mechanischen Druckprüfung von Verbundwerkstoffen in Laminatdickenrichtung. DE 10 2014 203 706
Gude, Maik; Schirner, Robert
- Development of a novel testing device for fabric reinforced carbon fibre composites under cyclic biaxial load applications. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Bd. 388 (2018), S. 12-19
Wolf, C. H.; Böcker, M.; Düreth, C.; Ackermann, S.; Henkel, S.; Thieme, M.; Böhm, R.; Koch, I.; Biermann, H.; Gude, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1757-899X/388/1/012019) - Experimental and numerical characterisation of the fracture behaviour of novel specimens for superimposed out-of-plane stresses. In: Proccedings of the 10th European Solid Mechanics Conference. Bologna, 2018
Düreth, C.; Thieme, M.; Böhm, H.; Gude, M.
- Interlaminar shear strength enhancement under out-of-plane compression of fabric reinforcements - a review on meso and macro scale. In: Proceedings of the 18th European Conference on Composite Materials. Athen, 2018
Düreth, C.; Weck, D.; Böhm, R.; Thieme, M.; Gude, M.; Wolf, C. H; Henkel, S.; Biermann, H.
