Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung von Modellierungsstrategien mittels fortgeschrittener konstitutiver Modelle und rechentechnischen Gerüsten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens von hyperelastischen faserverstärkten Materialien, unter endlicher Verformung, mit hoher Effizienz und Robustheit in der Finite-Elemente-Anwendung. Es wird ein einheitliches invariantenbasiertes Modell in Form von allgemeinen Invarianten der Verformung vorgeschlagen, um die Beiträge der einzelnen vorkommenden Materialien, d.h. weiche Matrix und Fasern, und insbesondere ihre mechanischen Matrix-Faser Wechselwirkungen zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit stellt einen ersten Versuch dar, das Matrix-Faser-Interface-Debonding, im Kontext der Pseudoelastizität, zu modellieren und darüber hinaus zu charakterisieren und rechnerisch zu bewerten. Dazu werden inelastische Phänomene wie diskontinuierliche Erweichung nach Mullins und permanente Verfestigung, welche wahrscheinlich als Folge der Matrixschädigung, des Faserbruchs und der Matrix-Faser-Grenzflächenentfestigung auftreten, modelliert. Die vorgeschlagenen elastischen und unelastischen konstitutiven Modelle wurden, über eine allgemeine benutzerdefinierte Schnittstelle, erfolgreich in einer Finite-Elemente-Umgebung implementiert, um eine Reihe von Randwertproblemen zu untersuchen.
Die jeweiligen Beiträge der Matrix, der Fasern und der mechanischen Wechselwirkung zwischen Matrix und Fasern sowie die jeweiligen Schädigungen werden unabhängig voneinander durch eine umfassende Anzahl an zyklischen Zugversuchen charakterisiert. Die experimentellen Beobachtungen zeigen, dass faserverstärkte weiche Verbundwerkstoffe eine große Komplexität aufweisen, wie z.B. Nichtlinearität, Anisotropie, Erweichung nach Mullins und permanente Verformungen. Diese Arbeit stellt eine Verbindung zwischen der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und dem mikroskopisch sichtbaren Debonding der Matrix-Faser-Grenzfläche bei Verbundwerkstoffen unter zyklischer Verformung her.
Die Anpassungsfähigkeit des invariantenbasierten konstitutiven Modells, welches in der benutzerdefinierten Subroutine implementiert ist, wurde anhand der experimentellen Daten von Verbundwerkstoffen mit unterschiedlicher Materialanisotropie validiert und zeigt gute qualitative Übereinstimmungen. Darüber hinaus wird das pseudoelastische Modell durch den Vergleich mit den zyklischen Zugversuchen verifiziert, was eine akzeptable Bandbreite der Übereinstimmung zeigt. Schließlich identifiziert diese Studie einen besonderen Leistungsvorteil in flexiblen Verbundlaminaten durch die Auswertung der Last-Kopplungs-Potentiale, sobald ein externer Stimulus Dehnungsbelastungen auslöst. Zu diesem Zweck werden die außergewöhnlichen, abstimmbaren Flexibilitäten des Materials ausgenutzt, um Verbundlaminate mit unterschiedlichen Lagenstärken, Stapelrichtungen, konstituierenden Materialien und Lagenzahlen aufzubauen. Anschließend wird ein Designraum eingeführt und verwendet, um die Fähigkeit der Laminate für ein effektives Lastkopplungsverhalten zu bewerten.