TY - THES

T1 - Evaluierung mikromechanischer Methoden hinsichtlich praktischer Anwendbarkeit für faserverstärkte Kunststoffe

AU - Schipfer, Christian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - In dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften von unidirektionalen (UD) Faser-Kunststoff-Verbunden mittels Finite-Elemente (FE) Analyse untersucht. Es wurden quadratische, hexagonale und zufällig generierte Faseranordnungen als Einheitszellenmodelle im FE-Programm Abaqus numerisch simuliert. Durch Aufbringung von Dehnungslasten in verschiedenen Richtungen wurden Steifigkeiten sowie Spannungskomponenten ermittelt und mit den makroskopischen Näherungswerten aus einem mittels Mori-Tanaka-Methode homogenisierten Materialmodell verglichen. Eine selbst entwickelte Benutzeroberfläche in Python ermöglichte die Eingabe von Modellparametern und bot verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung der Simulationsergebnisse. So konnten anschauliche Grafiken der Steifigkeiten, Spannungskomponenten und Vergleichsspannungen wie der von-Mises-Spannung und der ersten Hauptnormalspannung erstellt und analysiert werden. Die Simulationsergebnisse der Steifigkeiten von Einheitszellen mit zufälliger Faseranordnung und der Spannungskomponenten, welche normal zur Belastungsrichtung liegen, stimmten gut mit den Mori-Tanaka-Ergebnissen überein. Es wurde gezeigt, dass in Zufallszellen spannungstechnisch ungünstige Stellen auftreten können, wie sie in idealisierten Einheitszellenmodellen (Quad- und Hexzelle) nicht vorhanden sind. Bereits bei Normal- und Scherdehnungen von 1% in verschiedenen Richtungen werden in einem UD-Glasfaser-verstärkten Epoxidharz mit 60% Faservolumenanteil Spannungsspitzen im Matrixbereich erreicht, welche weit über der Fließgrenze des verwendeten Epoxidharzes liegen.

AB - In dieser Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften von unidirektionalen (UD) Faser-Kunststoff-Verbunden mittels Finite-Elemente (FE) Analyse untersucht. Es wurden quadratische, hexagonale und zufällig generierte Faseranordnungen als Einheitszellenmodelle im FE-Programm Abaqus numerisch simuliert. Durch Aufbringung von Dehnungslasten in verschiedenen Richtungen wurden Steifigkeiten sowie Spannungskomponenten ermittelt und mit den makroskopischen Näherungswerten aus einem mittels Mori-Tanaka-Methode homogenisierten Materialmodell verglichen. Eine selbst entwickelte Benutzeroberfläche in Python ermöglichte die Eingabe von Modellparametern und bot verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung der Simulationsergebnisse. So konnten anschauliche Grafiken der Steifigkeiten, Spannungskomponenten und Vergleichsspannungen wie der von-Mises-Spannung und der ersten Hauptnormalspannung erstellt und analysiert werden. Die Simulationsergebnisse der Steifigkeiten von Einheitszellen mit zufälliger Faseranordnung und der Spannungskomponenten, welche normal zur Belastungsrichtung liegen, stimmten gut mit den Mori-Tanaka-Ergebnissen überein. Es wurde gezeigt, dass in Zufallszellen spannungstechnisch ungünstige Stellen auftreten können, wie sie in idealisierten Einheitszellenmodellen (Quad- und Hexzelle) nicht vorhanden sind. Bereits bei Normal- und Scherdehnungen von 1% in verschiedenen Richtungen werden in einem UD-Glasfaser-verstärkten Epoxidharz mit 60% Faservolumenanteil Spannungsspitzen im Matrixbereich erreicht, welche weit über der Fließgrenze des verwendeten Epoxidharzes liegen.

KW - Fiber-polymer composites

KW - micromechanics

KW - unit cells

KW - finite element method

KW - Mori-Tanaka method

KW - Faser-Kunststoff-Verbunde

KW - Mikromechanik

KW - Einheitszellen

KW - Finite-Elemente-Methode

KW - Mori-Tanaka-Methode

M3 - Masterarbeit

ER -