Fatigue of continuously fibre reinforced composites - Engineering approaches to fatigue-life prediction

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Der durch das hohe Maß an Emissionen eingeleitete Klimawandel ist eine der größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Die notwendigen Emissionsreduktionen können, unter anderem, durch ein Umdenken in emissionsstarken Industriezweigen, wie beispielsweise im Transportwesen realisiert werden. Um Neuentwicklungen im Bereich der Luftfahrt- oder Automobilindustrie so ressourceneffizient wie möglich zu gestalten ist die Reduktion des bewegten Gesamtgewichtes eine essentielle Voraussetzung. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffverbunde bieten für derartige Leichtbauanwendungen herausragende Kennwerte bei gleichzeitig niedrigem Gewicht. Um die Performance dieser Hochleistungsmaterialien in höchstbeanspruchten Strukturanwendungen gewährleisten zu können ist die Absicherung des Materialverhaltens von größter Bedeutung. Das inkludiert neben mechanischer Prüfung auch die rechnerische Auslegung. In jenen Anwendungen, in denen Verbundwerkstoffe ihr Leichtbaupotential voll zur Entfaltung bringen können, treten aber im Normalfall nicht nur statische, sondern auch zyklische Lasten auf. Daher ist nicht die Frage nach der ertragbaren Last, sondern auch jene nach der zu erwartenden Lebensdauer zu beantworten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung möglicher Ansätze für die anwendungsorientierte Lebensdauervorhersage von endloskohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Um in der Lage zu sein, Vorhersagen auf fundierte experimentelle Daten zu stützen, wurden zunächst verschiedene Dehnmesssysteme und der Einfluss verschiedenster Testparameter auf das Materialverhalten untersucht. Versuchsparameter für die folgende umfassende Materialcharakterisierung wurden definiert. Um darüber hinaus die Schädigungsvorgänge zu studieren wurden neben dem Effekt der Anisotropie und der mechanischen Mittelspannung, auch der Einfluss des Faservolumengehaltes auf die mechanischen Eigenschaften und die ermüdungsbedingten Schädigungsmechanismen untersucht. Basierend auf den gefunden Ergebnissen wurde eine neue experimentelle Testmethode entwickelt, die es erlaubt die Messung zyklenabhängiger Steifigkeiten von Dehnrateneinflüssen zu entkoppeln. Zwei verschiedene Ansätze zur Lebensdauervorhersage wurden in der vorliegenden Arbeit verfolgt. Beide Ansätze können als ingenieurstechnisch betrachtet werden, da die mikromechanischen Effekte und Schädigung nicht explizit von den Modellen abgebildet werden, sondern vielmehr indirekt in den Eingabeparameter inkludiert sind. Als erster Ansatz wurde die klassische Laminattheorie, die für die Berechnung von Steifigkeiten und die schichtweise Spannungsanalyse von Laminaten für quasi-statische Lasten bekannt ist, für Ermüdungslasten erweitert. Durch die Implementierung der mittels der entwickelten Prüfmethoden generierten Schichtsteifigkeiten konnten die ermüdungsinduzierten Steifigkeitsabfälle eines multidirektionalen Verbundes auf verschiedenen Lastniveaus korrekt vorhergesagt werden. Experimentelle Validierungen bestätigten die gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Rechnung. Als zweite Berechnungsvariante wurde eine Adaption des festigkeitsbasierten Ansatzes der Wöhlerlinien, der für metallische Werkstoffe sehr weit verbreitet ist, angewandt. Die in Abhängigkeit der Anisotropie und der Mittelspannungen ermittelten Wöhlerlinien wurden verwendet, um die Lebensdauer eines unidirektionalen und eines multiaxialen Verbundes zu berechnen. Der Vorteil der dazu verwendeten Software besteht darin, dass beispielsweise Last-Zeit-Verläufe oder lokale Spannungsrechnungen aus Finite Elemente Berechnungen in die Lebensdauerabschätzung einfließen. Die Ergebnisse zeigten gute Korrelation mit den experimentellen Messungen und lieferten Anregungen für künftige Weiterentwicklungen um die spezifischen Eigenschaften endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe in Zukunft noch besser abbilden zu können.

Details

Titel in ÜbersetzungErmüdung von endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffen - Ingenieurstechnische Ansätze zur Lebensdauervorhersage
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2015