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Modellierung und Simulation von neuartigen textilbasierten adaptiven Faserkunststoffverbundstrukturen mit Formgedächtnislegierungen

Subject Area Lightweight Construction, Textile Technology
Term from 2011 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 191637975
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen der durchgeführten Forschungsaktivitäten wird das besondere Potenzial von strukturintegrierten Formgedächtnislegierung(FGL)-basierten Aktoren zur Realisierung von adaptiven Faserkunststoffverbunden (FKV) in Form von eingliedrigen und damit gelenkfreien aktorisch wirkenden Bauteilen aufgezeigt. Die hierfür gewählten Ansätze mittels rechnergestützter Modellierung und Simulation sowie textiltechnisch in das Verstärkungshalbzeug integrierter FGL in Form von Friktionsspinnhybridgarnen (HG) ermöglichen sowohl eine effiziente und anforderungsgerechte Auslegung, als auch eine präzise Fertigung und somit reproduzierbare Funktionseigenschaften der adaptiven FKV. Die entwickelten adaptiven FKV setzen sich aus einem glasfaserverstärkten gewebten Verstärkungshalbzeugen, einem anforderungsgerechten kalthärtenden duroplastischen Matrixsystem sowie funktionsangepassten FGL-basierten Hybridgarnen zusammen. Die im Rahmen des Projektes ermittelten maximalen freisetzbaren Kräfte je FGL-Aktor betragen ca. 50 N, was einer mechanischen Spannung von ca. 780 N/mm² entspricht, und somit das erhebliche aktorische Potenzial zur Realisierung von adaptiven FKV aufzeigen. Die thermische Aktivierung des Formgedächtniseffektes erfolgt jeweils über Jouleschen Wärmeeintrag infolge eines elektrischen Stromes. Die Modellierung der Funktionskomponente FGL-Aktor erfolgt mit einem phänomenologischen Modell und basiert auf der Beschreibung der freien Energiedichte und einem Dissipationspotential. Zur effektiven Berechnung der Eigenschaften der FKV-Struktur werden geeignete Methoden zur Homogenisierung entwickelt und implementiert, wodurch effektive Materialkennwerten eines homogenen Ersatzmediums bereitgestellt werden. Die Einbindung der FGL-Drähte in den Textilverbund erfolgt numerisch durch eine partielle Homogenisierung, d. h. der adaptive Verbund wird in die FGL- Aktoren und den Textil-Matrix-Verbund aufgeteilt. Für diesen sind mittels der Homogenisierungsverfahren die linear viskoelastischen Materialkennwerte zu bestimmen. Die Berechnung der effektiven linear-viskoelastischen Materialeigenschaften des heterogenen Textil-Matrix-Verbunds wird mittels Laplace-Carson-Transformation auf die Homogenisierung einer fiktiven, linear-elastischen Anordnung übertragen. Unter Verwendung der entwickelten Material- und FE-Modelle sowie Homogenisierungsverfahren werden mit Parameterstudien die Einflüsse von Geometrie der Verstärkungsfasern sowie Anordnung und Lage der FGL-Aktoren auf das Verformungsverhalten des adaptiven Verbunds quantifiziert. Daraus werden gezielt Vorgaben zur Anpassung der betrachteten adaptiven Strukturen abgeleitet. FKV-Test- und Demonstratorstrukturen werden mittels Vakuuminfusion und Resin-Transfer-Moulding- Verfahren konsolidiert. An diesen Strukturen erfolgen zunächst tribologische Untersuchungen der Haftungseigenschaften der mechanisch und chemisch modifizierten FGL-basierten Aktoren im fertigen Verbund. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Garnkonstruktion die tribologischen Verhältnisse im Garninneren signifikant beeinflusst bzw. eingestellt werden können. Der Kraftverlust infolge der Reibung des FGL-Drahtes im Verbund beträgt ca. 7,5 N, was einen relativen Kraftverlust von maximal 15 % bedeutet. Aus textiltechnologischer Sicht stellt die Ummantelung der FGL-basierten Aktoren mit PP-Fasern als konstruktive Modifikation eine Vorzugslösung zur systematischen Reibungseinstellung zwischen FGL-Draht und Verbund dar, um das aktorische Potenzial der FGL effektiv zu nutzen. Die Untersuchungen der Funktionseigenschaften der adaptiven FKV erfolgen an einem speziell angepassten Messplatz und werden sowohl an ebenen als auch an gekrümmten FKV durchgeführt. Wichtige Erkenntnisse betreffen sowohl die Dynamik als auch die thermischen Gegebenheiten. So hat die Impulslänge hat einen signifikanten Einfluss auf das Verschiebungsverhalten. Eine Impulsdauer von 100 s führt zu einer fast vollständigen Rückformung der Verschiebung, da sich der FKV ausreichend abkühlen kann. Eine kurze Impulsdauer führt zu entsprechend kurzen Aktivierungs- aber auch Abkühlungsphasen, wodurch eine permanente Verschiebung in einen definierten Verformungsbereich realisiert werden kann. Die bisher erreichbaren Maximalverschiebungen des Plattenmittelpunktes betragen für eine adaptive FKV-Struktur mit homogenem Querschnitt im stationären aktivierten Zustand mehr als 20 mm, was einer anteiligen Verschiebung von mehr als 4,5 % bezogen auf die Bauteillänge entspricht. Bei einer Schaltfrequenz von 1/100 Hz bzw. 1/3 Hz verringern sich die erreichbaren Verschiebungen auf ca. 2,5% bzw. ca. 0,5 %. Mit der Simulation der adaptiven FKV-Strukturen werden gemessene und berechnete Daten verglichen und die Genauigkeit der Berechnungsverfahren überprüft. Bei den hierzu durchgeführten Verifikationsrechnungen ergeben sich gute Übereinstimmungen, wie der Vergleich der experimentell ermittelten Verschiebungen mit den simulierten Verschiebungen zeigt.

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