Mehrskalige Modellierung des nichtlinearen Schädigungsverhaltens von carbonfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423783552

Steigende Energiekosten und wachsende Anforderungen an den Klimaschutz führen zu einer hohen Nachfrage von Leichtbaumaterialien. So werden insbesondere faser-verstärkte Kunststoffe aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit vermehrt eingesetzt. Der Einsatz von thermoplastischen Faserverbundkunststoffen (TPFVK) bietet den Vorteil, dass diese - im Gegensatz zu herkömmlichen Duroplasten - wiederholt erwärmt, verformt und abgekühlt werden können. Daraus ergeben sich Vorteile wie kurze Zykluszeiten, erhöhte Zähigkeit, einfache Lagerung und Handhabung sowie bessere Recyclingfähigkeit, welche seit Jahren zu einem wachsenden Markt für thermoplastische Systeme führen. Das Materialverhalten von TPFVK ist allerdings sehr komplex und vorhandene Modelle noch unzureichend entwickelt, um alle relevanten Aspekte abzudecken. Insbesondere ist die Vorhersage des Schädigungsverhaltens, die für die Strukturanalyse essentiell ist, in vielen Fällen noch nicht möglich. Das übergreifende Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs zur Vorhersage der Schädigungsentwicklung und des Versagens von TPFVK-Bauteilen. Als notwendig erweist sich dabei die Berücksichtigung der viskoelastischen bzw. viskoplastischen Eigenschaften der thermoplastischen Matrix auf der Mikro- bzw. Mesoskala sowie die Delamination von einzelnen Lagen im Schichtverbund. Die Projektarbeit liefert die folgenden wissenschaftlichen Innovationen: Zum einen wird ein viskoelastisches/viskoplastisches Materialmodell des Thermoplastes um die sich progressiv entwickelnde Schädigung erweitert, wobei diese Phänomene in geeigneter Weise miteinander gekoppelt werden müssen. Des Weiteren wird ein neuartiges Homogenisierungskonzept erforscht, das auch bei großen Verformungen und Softening infolge Lokalisierung gültig ist, wo die existierenden konventionellen Ansätze versagen. Mit dieser Formulierung für das Matrixverhalten des Thermoplasts und dem Homogenisierungsverfahren werden die Mikrostruktur (Carbonfasern in Thermoplastmatrix) und die Mesostruktur (Gewebe von Carbonfaserbündeln in Thermoplastmatrix) ausgewertet. Berücksichtigt werden dabei u.a. folgende Schädigungsmechanismen: Faserbruch, Matrixbruch, Faser(bündel)-Matrix-Debonding, Ausknicken von Fasern oder Faserbündeln sowie Delamination zwischen Einzelschichten. Mithilfe des vorgeschlagenen hierarchischen Mehrskalenansatzes wird daraus ein makroskopisches Materialmodell für den Verbundwerkstoff abgeleitet. Die neue makroskopische Schädigungsformulierung erfasst die Anisotropie des Verbundwerkstoffes, ist thermodynamisch konsistent, gilt auch im Bereich von großen Verformungen und ist infolge Gradientenerweiterung unabhängig von der Finite-Elemente-Diskretisierung. Die vorgeschlagene Modellformulierung und das Simulationswerkzeug werden es ermöglichen, das Verständnis des Versagens von TPFRK-Komponenten zu verbessern und die daraus resultierenden Vorhersagen werden die Auslegung von TPFVK-Strukturen verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Brett A. Bednarcyk; Evan Pineda, Ph.D.