Modellierung von Schädigung und verbleibenden Eindrücken bei Impact auf Verbundwerkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf; Privatdozent Dr. Anthony Pickett
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428994763

Bei Faserverbundwerkstoffen ist die Schadenstoleranz nach wie vor eine der herausforderndsten Teilgebiete. Einer der Gründe liegt dabei in der Detektierbarkeit des Schadens. Bei geringen Impact-Energien ist der auftretende Schaden an der Oberfläche in der Regel kaum oder gar nicht sichtbar, während das Material im Inneren stark beschädigt sein kann. Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurde der so genannte "Compression strength After Impact (CAI)" Test als Standardversuch definiert. Hierfür wird eine Platte mit unterschiedlichen Energien geimpactet. Von den geschädigten Platten wird die Platte mit einer Eindringtiefe von 0.5mm gewählt und anschließend an allen Kanten mit einer Druckbelastung bis zum Versagen beaufschlagt. Diese gemessene Versagenslast liefert die Restfestigkeit. Ist diese höher, als die wirkende Spannung für den Auslegungslastfall, gilt die Struktur für kaum sichtbare Schäden als luftfahrtzugelassen.In zahlreiche Forschungsvorhaben wurde der CAI-Test untersucht, um eine numerische Vorhersage der Schädigung in oder zwischen den einzelnen Faserverbundlagen zu ermöglichen. Die Kopplung der Impact-Simulation mit anschließender numerischer Restfestigkeitsanalyse konnte, auch am IFB, bisher nur teilweise erfolgreich durchgeführt werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass ein wichtiger Aspekt bislang vernachlässigt wurde: die Vorhersage von lokalen Eindringtiefen in Abhängigkeit zu den Eindringenergien. Dieses nicht triviale Problem führt dazu, dass eine vollumfängliche 3D Modellierung mit den grundlegenden Materialgesetzen, für Schädigung, Plastizität und Relaxation nach beendeter Belastung notwendig wird. Hierfür wird eine enge Kopplung der Effekte für vorhersagefähige Schädigungsmodellen der einzelnen Lagen wesentlich. Dieses Forschungsvorhaben hat die Entwicklung eines solchen Modells als Ziel. Ein aufwändiges Testprogramm wird für den Aufbau des Materialverständnisses durchgeführt und neue, grundlegende Materialgesetze werden, basierend auf den Versuchsergebnissen, definiert. Diese sollen in der Lage sein, das Crushing-Verhalten, das während des Impacts auftritt, sowie die zeitabhängige Rückverformung lokal geimpacteter Verbundstrukturen abzubilden. Die Arbeit an diesem Gebiet würde das generelle wissenschaftliche Verständnis über den Zusammenhang von Oberflächen- und interner Schädigung durch niederenergetischen Impact verbessern und wäre ein essentieller Schritt für die vollständige numerischer Vorhersage des CAI Tests. Das Forschungsvorhaben ist, trotz der Fokussierung auf den CAI Test, für weitere Anwendungen mit niederenergetischen Impact, wie bspw. Hagelschlag auf Rotorblätter von Windkraftanlagen oder der Aufprall unbekannter Körper auf Faserverbundwerkstoffe, relevant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen