Randeffekte an Kreislöchern in Faserverbund-Laminaten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Mittelstedt
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 417731066

Spannungskonzentrationsprobleme in Faserverbund-Laminaten wie der sog. Randeffekt äußern sich durch auf lokale Randbereiche beschränkte, potentiell singuläre interlaminare Spannungsüberhöhungen im Nahbereich freier Laminatränder, die sehr oft mit entsprechenden Versagensbildern, z.B. in Form von Delaminationen einhergehen. Ist die Situation des geraden freien Laminatrandes seit nahezu 50 Jahren Gegenstand intensiver Forschung gewesen, so sind Randeffekte bezüglich komplexerer Randsituationen, z.B. an den Rändern von Löchern in Laminaten, deutlich weniger untersucht worden. Dieses Vorhaben ist der geschlossen-analytischen und semi-analytischen Behandlung des Randeffekts in ebenen Laminaten im Nahbereich kreisförmiger Löcher gewidmet. Neben der Bestimmung von Delaminationskräften und –momenten sollen schichtweise Analyseansätze versucht werden, wobei hier spannungsbasierte Verfahren zum Einsatz kommen sollen, aber auch solche, die mit schichtweisen Ansätzen für die Verschiebungen arbeiten. Ein weiteres Verfahren, das für die Randeffektanalyse nutzbar gemacht werden soll, ist die sog. Rand-Finite-Elemente-Methode. Hierbei handelt es sich um ein Randdiskretisierungsverfahren, bei dem der Lochrand mit 2D-Elementen bezüglich der Dicken- und der Umfangsrichtung diskretisiert wird. In radialer Richtung wird sich aus einem Variationsprinzip eine geschlossen-analytische Lösung für alle Zustandsgrößen ermitteln lassen. Die Rand-Finite-Elemente-Methode vereinigt damit die Vorteile der FEM sowie der Randelemente-Methode und stellt eine attraktive Analysemethode für die Behandlung von Spannungskonzentrationsproblemen dar. Die Untersuchungen sollen mit gezielten Optimierungsrechnungen mit den Mitteln der mathematischen Programmierung abgeschlossen werden. Konkret soll hier untersucht werden, welches Optimierungspotential hinsichtlich des Lochrand-Effekts existiert und wie sich entsprechende Spannungskonzentrationen minimieren lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen