Development of failure mode related degradation models for carbon fibre reinforced textile com-posites with non-crimped threads

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Subject Area: Lightweight Construction, Textile Technology ; Materials in Sintering Processes and Generative Manufacturing Processes
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 171396308

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Für die Anwendung neuartiger Werkstoffe wie etwa textilverstärkter Verbundwerkstoffe in sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen sind verlässliche Aussagen über deren Versagens- und Schädigungsverhalten erforderlich. Dies erfordert zum einen die Bereitstellung geeigneter Degradationsmodelle und zum anderen experimentelle Verfahren, mit denen die charakteristischen Schädigungsphänomene zuverlässig und präzise detektiert werden können. Das geförderte Vorhaben hat sich diesen Fragestellungen gewidmet. Zur phänomenologischen Schadensdiagnostik ist eigens ein neuartiger In-Situ-Computertomographie-Prüfstand entwickelt worden. Im Unterschied zu anderen Diagnosemethoden wie der konventionellen Computertomographie, Ultraschallanalysen oder der Untersuchung von Schliffbildern ermöglicht die In-Situ-Computertomographie erstmals eine Klassifizierung der Schädigungsprozesse von textilverstärkten Verbunden noch während der Belastung. Am Beispiel 3D-kohlenstofffaserverstärkter Epoxidharzverbunde und vieler weiterer Leichtbauwerkstoffe wurde nachgewiesen, dass sich bereits kleinste Mikrorisse und Delaminationen mit hoher Auflösung und Genauigkeit nachweisen lassen. Die In-Situ-Computertomographie ist damit herkömmlichen experimentellen Methoden zur Schadensdiagnostik weit überlegen. Die neue experimentelle In-Situ-CT-Messmethode wurde dazu genutzt, das sukzessive Versagensverhalten von kohlenstofffaserverstärkten Verbunden mit gestreckten Fadenlagen zu untersuchen. Dabei standen einachsige in-plane und out-of-plane-Belastungszustände, mehrachsige Belastungen sowohl mit sequenzieller als auch mit simultaner Lastaufbringung, quasi-statische Belastungen mit Lastumkehr sowie Belastungen mit in-plane-out-of-plane-Last-richtungswechsel im Vordergrund der Untersuchungen. Die bei den Experimenten gewonnenen phänomenologischen Erkenntnisse zu Schädigungsbeginn und -fortschritt, Rissschließungs- und Rissöffnungseffekten, Lastumlagerungsprozessen und Schädigungsinteraktionen flossen in die Entwicklung verbesserter bruchmodebezogener Degradationsmodelle für Textilverbunde ein. Diese Modelle erlauben die Berücksichtigung der nichtlinearen Steifigkeitsdegradation, irreversibler Deformationen und dehnratenabhängiger Materialeigenschaften während der Spannungs-Dehnungs-Analyse. Für die untersuchte Werkstoffklasse haben die Modelle damit eine praktische Anwendungsreife erlangt.

Publications

• A phenomenologically based damage model for 2D and 3D-textile composites with non-crimped reinforcement. Materials & Design 32 (2011), pp. 2532-2544
  Böhm, R.; Gude, M.; Hufenbah, W.
  
• A test device for damage characterisation of composites based on in situ computed tomography. Composites Science and Technology 72 (2012), pp. 1361-1367
  Hufenbach, W.; Böhm, R.; Gude, M.; Berthel, M.; Hornig , A.; Rucevskis, S.; Andrich, M.
  
• Computer tomography-aided non-destructive and destructive testing in composite engineering. Composites Theory and Practice 12 (2012) 4, S. 279-284
  Hufenbach, W., Gude, M., Ullrich, H.-J., Czulak, A., Danczak, M., Böhm, R., Zscheyge, M., Geske, V.
  
• In situ CT based damage characterisation of textile-reinforced CFRP composites. 15th European Conference on Composite Materials, Venedig (Italien), 24.-28.6. 2012
  Hufenbach, W.; Gude, M.; Böhm, R.; Hornig, A.; Berthel, M.; Danczak, M.; Geske, V.; Zscheyge, M.
  
• Analyse des Schädigungs- und Versagensverhaltens dickwandiger textilverstärkter Kunststoffverbunde bei Druckbelastung in Dickenrichtung. Dissertation, Technische Universität Dresden, 2013
  Andrich, M.
  
• Influence of interface waviness on delamination characteristics and correlation of through-thickness tensile failure with mode I energy release rates in carbon fibre textile composites. Materials & Design 50 (2013), pp. 839-845
  Hufenbach, W.; Hornig, A.; Gude, M.; Böhm, R.; Zahneisen, F.
  
• A quantitative comparison of the capabilities of in situ computed tomography and conventional computed tomography for damage analysis of composites. Composites Science and Technology 110 (2015), pp. 62-68
  Böhm, R.; Stiller, J.; Behnis , T.; Zscheyge, M.; Radloff, S.; Gude, M.; Hufenbach, W.