Verbesserung der nichtlinearen Spannungs- und Versagensanalyse von Laminaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
2.1 Allgemeinverständliche Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte gegenüber dem Stand des Wissens Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine zentrale Problematik im Kontruktionsprozess von Faser-Kunststoff-Verbunden bearbeitet, nämlich die Laminatauslegung. Auf Grund der Fülle an Theorien zur Berechnung von Laminaten wurde von 1994 bis 2002 der World-Wide Failure Excercise (WWFE) durchgeführt, mit dem Ziel, die am besten geeigneten Theorien zu ermitteln. Die Ergebnisse des Wettbewerbs belegen das hervorragende Abschneiden der deutschen Beiträge und die besonders gute Eignung des Puc/cschen Wirkebenenkriteriums für die Festigkeitsanalyse von Faser- Kunststoff-Verbunden. Grundvoraussetzung für die Anwendung des Wirkebenenkriteriums ist die exakte Bestimmung der Spannungszustände in den einzelnen Laminatschichten, da diese die Eingangsgrößen der Festigkeitsanalyse darstellen und somit direkt die Genauigkeit des Ergebnisses beeinflussen. Für die Berechnung der Schichtspannungen wurde deshalb ein Berechnungsalgorithmus auf Basis der Klassischen Laminattheorie (CLT) entwickelt, der das nichtüneare Werkstoffverhalten der Laminatschichten mit Hilfe einer inkrementellen und iterativen Laststeigerung berücksichtigt. Besonders hervorzuheben ist, dass es mit der neu entwickelten Methode erstmals möglich ist, den Einfluss des Spannungszustands auf das nichtlineare Werkstoffgesetz ("Interaktion") im Rahmen der Klassischen Laminattheorie zu berücksichtigen. Die nichtlinearen Werkstoffmodelle können wahlweise über die direkte Eingabe von Messwerten (LitOI) oder durch das neue "physikalisch begründete Werkstoffmodell" nach Puck(L\i03) berücksichtigt werden. Das neu entwickelte Modell für die direkte Eingabe der im Versuch ermittelten Spannungs- Verzerrungswerte ermöglicht es erstmals, ein nichtlineares Werkstoffkennfeld zu ermitteln mit dem die "Interaktion" automatisiert berücksichtigt werden kann. Ein weiteres Ergebniss des WWFE war die Forderung der Initiatoren die entwickelten Theorien der Allgemeinheit in Form von Softwaretools zur Verfügung zu stellen, um somit deren Anwendung im Konstruktionsprozess zu ermöglichen. Entsprechend dieser zentralen Forderung wurde das Softwaretool AlfaLam.nl {Advanced iayerwise failure analysis of Laminates nonlinear) entwickelt, dass sowohl den neu entwickelten Berechnungsalgorithmus für nichtlineares Werkstoffverhalten enthält, als auch das Wirkebenenkriterium zur Berechnung des Laminatversagens nach Puck. Die in AlfaLam.nl implementierten Berechnungsmethoden wurden durch die aktuellsten Forschungsergebnisse ergänzt. Dies sind insbesondere die Berücksichtigung der Faserwinkeländerung im Verlauf einer Laststeigerung und das neu entwickelte Degradationsmodell für die Berechnung des Laminatverhaltens nach Eintritt des ersten Zwischenfaserbruchs. Das Modell ermöglicht die Berechnung von beliebigen Laminataufbauten, ohne experimentell bestimmte Abminderungsfunktionen. Das Programm steht als Freeware zum kostenlosen Download auf der Homepage des Fachgebiets KLuB bereit (http://www.klub.tu-darmstadt.de). Ein Hinweis, dass die Programmentwicklung von der DFG gefördert wurde befindet sich auf der Downloadseite. Der Quellcode der Software ist frei zugänglich und bietet auf Grund seines modularen Aufbaus die Möglichkeit neue Theorien und Vergleichsrechnungen schnell zu testen, indem einzelne Programmkomponenten ausgetauscht werden können. Dies bietet dem Anwender zusätzlich die Möglichkeit bestimmte Aspekte mit unterschiedlichen Modellansätzen zu berechnen. Die Berechnung kann dementsprechend optimal an das Anforderungsprofil des Anwenders angepasst werden. Nach dem derzeitigen Wissensstand ist AlfaLam.nl die einzige frei verfügbare Software, die die neusten Erkenntnisse der Laminatberechnung berücksichtigt (z.B. das "physikalisch begründete WerkstoffmodeH" nach Puck, die direkte Messwerteingabe, die Spannungsinteraktionen und die Faserwinkeländerung) und der Forderung der Initiatoren des WWFE nachgekommen ist, die entwickelten Theorien der Faserverbund-Gemeinde zur Verfügung zu stellen. Die Software bietet weiterhin die Möglichkeit nichtlineare Versagensanalysen entsprechend der neu erschienen VDI-Richtlinie 2014 Blatt 3 durchzuführen. AlfaLam.nl \sl die einzige Software, die alle neuen Aspekte der Richtlinie berücksichtigen kann und wird dementsprechend auch als Berechnungssoftware in der VDI-Richtlinie empfohlen. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Mit dem neu entwickelten Softwaretool bietet sich die besondere Möglichkeit den Aufbau von thermischen Eigenspannungen, unter Berücksichtigung des nichtiinearen Werkstoffverhaltens der Schichten, sowie den temperaturabhängigen Schichteigenschaften (Wärmeausdehnungskoeffizienten, Steifigkeiten, Festigkeiten) korrekt zu berechnen. Textile Halbzeuge (z.B. Gewebe) werden sehr häufig verwendet. Sie unterscheiden sich auf Grund der Faserweiligkeiten und der Verflechtungen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und dem Versagensverhalten. Der iterative und inkrementelle Berechnungsalgorithmus könnte für die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von dem wirkenden Verzerrungszustand genutzt werden. Auf diese Weise könnte eine physikalisch sinnvolle Methode für das Verhalten von "Textilen"- Schichten im Rahmen der Klassischen Laminatanalyse entwickelt werden. Die Anwendung der entwickelten Software AlfaLam.nl liegt entsprechend ihrem Verwendungszweck im Auslegungsprozess von Laminaten. Dieser kann entsprechend der neuen VDI-Richtlinie 2014 Blatt 3 durchgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- SCHÜRMANN, Helmut: 16. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde der DGM März 2007
- SCHÜRMANN, Helmut: 30. Symposium für Segelflugzeugentwicklung, Darmstadt 23./24.11.2006
- WEBER, Thorsten; SCHÜRMANN, Helmut: Besonderheiten und Leistungsumfang der neuen nichtlinearen Laminatanalyse Software AlfaLam.nl. In: Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, Braunschweig: Deutsche Gesellschaft für Luft und Raumfahrt - LilienthalOberth e.V., 06.-09.11.2006
