Korrelation der mikro- und makromechanischen Schädigung in endlosfaserverstärkten Kunststoffen
Das Schädigungsverhalten endlosfaserverstärkter Kunststoffe resultiert aus einem komplexen Zusammenspiel skalenabhängiger Versagensmechanismen. Auf mikro- und makroskopischer Ebene interagieren Faserbruch, Matrixrissbildung, Delamination sowie Degradation an der Faser-Matrix-Grenzfläche, was in einem nichtlinearen Werkstoffverhalten resultiert. In dem Forschungsvorhaben wurde daher ein dreidimensionales Shear-Lag-Modell (3D-SLM) entwickelt, um das mechanische Verhalten von unidirektionalen faserverstärkten Kunststoffen (UD-FVK) unter quasistatischen und dynamisch-zyklischen Zugbeanspruchungen numerisch zu untersuchen.
Das Modell berücksichtigt sowohl das plastische Werkstoffverhalten der Matrix als auch die Grenzflächenablösung und ermöglicht Mehrfachbrüche entlang der Fasern. Zur Modellierung der Faserfestigkeit kommt eine zweiparametrige Weibull-Verteilung zum Einsatz, deren Parameter in mikromechanischen Charakterisierungsexperimenten ermittelt wurden. Obwohl das Modell die Steifigkeit des Verbundwerkstoffs im Vergleich zu den experimentellen Werten quantitativ unterschätzt, liefert es eine gute qualitative Annäherung an das reale quasistatische und dynamisch-zyklische Verhalten.
© IKVEine detaillierte Analyse der numerischen Ergebnisse zeigt, dass die Schädigungsmuster für Matrixrisse und Grenzflächenablösungen das Spannungsfeld hydrostatischer Spannungen sowie oktaedrischer Schubspannungen widerspiegeln. Für die Untersuchung des Spannungszustandes wurde eine Principal Component Analysis (PCA) für die numerischen Modelle implementiert, wodurch der komplexe mikromechanische Spannungszustand vereinfacht beschrieben werden kann. Die Überführung der konventionellen PCA auf eine netzunabhängige Hauptkomponentenanalyse erwies sich als entscheidend, um die Konsistenz der Analyse über verschiedene RVE-Modelle hinweg zu gewährleisten und dieses Verfahren als wertvolles Instrument für die Untersuchung des mikromechanischen Spannungszustandes zu nutzen. Die RVE Simulationen zeigen, dass die jeweiligen Schädigungsmechanismen eine spezifische Signatur in der Umverteilung des Spannungsfeldes der Matrix hinterlassen. Dies ermöglicht einen neuen und wertvollen numerischen Einblick in das komplexe Mikroschädigungsverhalten, der durch experimentelle Analysen nicht zugänglich gemacht werden kann.
Somit kann das Ermüdungsverhalten umfassend untersucht werden, wodurch die Grundlage für die Entwicklung neuer, schädigungsmechanismenbasierter Modelle gelegt wird, die in der Dimensionierung endlosfaserverstärkter Strukturbauteile Anwendung finden.
Projektdaten und Förderung
Wir danken der DFG für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen: HO 4776/78-1) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 03.2022 – 04.2025
Förderung:
