Damage analysis of fabric-reinforced polymer composites under superimposed in-plane/out-of-plane stress conditions
Lightweight Construction, Textile Technology
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens konnten zwei Prüfmethoden zur biaxialen Werkstoffcharakterisierung von gewebeverstärkten Faser-Kunststoffverbunden für eine (τ31/σ3 )- bzw. (σ1+/σ3-)- Spannungsüberlagerung entwickelt, validiert und patentiert werden. Dazu wurden in numerischen Analysen beanspruchungsgerechte Prüfkörper- und Stempelgeometrien abgeleitet, die einen homogenen Spannungszustand im maßgebenden Prüfbereich ermöglichen. Durch die so erarbeiteten Geometrien ist nunmehr eine Applikation von Aufleimern zur Reduktion von Spannungsüberhöhungen im Prüfbereich bei einer Biaxialprüfung zur Analyse des (σ3-)-Einflusses nicht mehr notwendig. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstofftechnik (IWT) der TU Freiberg konnten die neuartigen Prüfkörper und Einspannvorrichtungen erfolgreich in ein servohydraulisches planar-biaxiales Prüfmaschinekonzept implementiert und die Funktionsweise nachgewiesen werden. Zur experimentellen Untersuchung des Einflusses der spezifischen Gewebearchitektur auf das Schädigungsverhalten wurden drei Leinwandgewebe mit definierten Flächengewichten ausgewählt, da bei dieser Bindungsart die Ausbildung einer Verzahnung am stärksten ausgeprägt ist. Die gewebespezifischen Kennwerte wurden auf Basis versuchsbegleitender computertomographischer Analysen zum Kompaktierungsverhaltens der gewählten Gewebetypen ermittelt. Hierbei zeigte sich bereits eine ausgeprägte Streuung der geometrischen Parameter der untersuchten Gewebelagen. Durch die Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Einfluss der Gewebeondulation bei einer (σ1+ /σ3-)-Spannungskombination nicht wie angenommen im (σ3-)-dominierten Bereich sondern im zugdominierten Bereich auftritt. Dieses Phänomen konnte in numerischen Analysen von idealisierten repräsentativen Gewebeeinheitszellen validiert werden. Darüber hinaus konnten sowohl die erarbeitete (τ31/σ3-)-Prüfmethodik auf Basis ausgewählter off-axis-Versuche für den Bereich moderater σ3- -Überlagerungen als auch die Lastfälle, in denen kein interlaminares Schubversagen sondern ein faserparalleles Zugversagen im Kerbbereich zu beobachteten war, in der umfangreichen numerischen Simulation validiert werden. Weiterhin konnte im Rahmen des Vorhabens gezeigt werden, dass sowohl die Gewebekonfiguration und als auch die Überlagerung einer faserparallelen σ1+ -Beanspruchung einen signifikanten Einfluss auf den Spannungszustand im Interfacebereich haben. Hierbei zeigt sich sehr deutlich, dass über die bisherigen Untersuchungen hinaus, weitere numerische und experimentelle Untersuchungen insbesondere unter Berücksichtigung der ausgeprägten Parameterstreuung zur umfänglichen probabilistischen Beschreibung der Versagens- und Spannungsinteraktion im Interfacebereich notwendig sind. Die im Rahmen des Vorhabens entwickelten Methoden und Abhängigkeiten fokusieren bislang ausschließlich auf eine quasi-statische Beanspruchung der Prüfkörper. Die Auswertung der dargestellten Vorhabensergebnisse zeigt allerdings eindeutig, dass darüber hinaus ein bedeutend größerer Einfluss auf den interlaminaren Rissfortschritt bei einer derartigen zyklischen Beanspruchung zu erwarten ist. Hier besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf, der ein einem gemeinsamen Folgevorhaben des ILK und des IWT adressiert werden soll.
Publications
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