Mehrskalige Modellierung von Ermüdungsschäden in Faserverbundkunststoffen auf Grundlage der Verzerrungsenergie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr.-Ing. Caroline Lüders; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532766298

In diesem Projekt wird untersucht, welche Verzerrungsenergieanteile den Ermüdungsprozess in unidirektional versteiften Faserkunststoffverbunden auf verschiedenen Skalen beschreiben. Betrachtet werden die Faser-Matrix-Ebene (Mikroebene), der homogenisierte unidirektionale Verbund (Mesoebene) und das multidirektionale Laminat (Makroebene). Laut Forschungshypothese stellt eine Kombination aus dem plastischen und dem mit Zugbeanspruchung assoziierten elastischen Anteil der Verzerrungsenergie ein Maß für die Ermüdung dar, das in direktem Zusammenhang mit Bruchlastspielzahl und Kennwertdegradation steht. Werden diese Energieanteile in einer Ermüdungssimulation direkt aus dem skalenspezifischen konstitutiven Materialgesetz berechnet – so die Annahme – werden der Mittelspannungseffekt und multiaxiale Beanspruchungen inhärent erfasst. Damit wären die bei spannungs- und dehnungsbasierten Modellansätzen üblichen Korrekturfunktionen überflüssig und der experimentelle Kalibrieraufwand stark reduziert. Zudem trägt die Kenntnis der für die Ermüdung relevanten Verzerrungsenergieanteile zu einem grundlegenden Verständnis der Ermüdung in Faserverbunden bei. Der Zusammenhang zwischen den relevanten Verzerrungssenergieanteilen und der Ermüdung (Bruchlastspielzahl, Kennwertdegradation) wird im Projekt experimentell identifiziert und die Erkenntnisse in mikro- und meso-mechanische Ermüdungsmodelle übertragen. Zur Berechnung der Energieanteile im Modell werden Konstitutivgleichungen entwickelt, die die elastischen, plastischen und ratenabhängigen Anteile im Materialverhalten quantitativ beschreiben. Auf der Mikroebene konzentriert sich die Materialmodellierung auf die Epoxidharzmatrix, auf der Mesoebene auf den homogenisiert betrachteten, unidirektionalen Glasfaserverbund. Die Übertragbarkeit des mesomechanischen Modells auf die Makroebene wird an multidirektionalen Laminaten demonstriert. Schließlich verlinkt ein sequentieller Multiskalenansatz Mikro- und Mesomodell, indem Kennwerte für das mesomechanische Modell über mikromechanische Analysen ermittelt werden. Das verdeutlicht das Potential zur weiteren Reduktion der erforderlichen Experimente für die Modellkalibrierung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen