Mehrskalige Modellierung des anisotropen, nichtlinearen Schädigungsverhaltens von carbonfaserverstärkten Kunststoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jaan-Willem Simon
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423783552

In vielen Industriezweigen ist in den letzten Jahren die Nachfrage nach Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) stark angestiegen. Dabei finden neben den unidirektional verstärkten Kompositen, bei denen die Fasern alle parallel ausgerichtet sind, auch zunehmend solche mit textiler Verstärkung durch Gewebe Anwendung, weil hier die mechanischen Eigenschaften in verschiedenen Richtungen optimiert werden können. Allerdings weisen textile Verbundwerkstoffe im Gegensatz zu ihren unidirektionalen Pendants zusätzliche geometrische Effekte auf, die zu erheblichen Spannungs- und Dehnungsüberhöhungen führen und daher maßgeblich an der Nichtlinearität der globalen Materialantwort und dem Versagensfortschritt beteiligt sind. Um solche Effekte bei der Auslegung von Schichtverbunden, deren einzelne Schichten aus CFK mit textiler Verstärkung bestehen, erfassen zu können, wird in diesem Projekt ein hierarchischer Multiskalenansatz verfolgt. Dabei wird zunächst ein mikro¬mechanisches Modell für die Garne entwickelt, in dem die einzelnen Carbonfasern und die Matrix separat modelliert werden. Darauf aufbauend wird dann ein meso¬mechanisches Modell für den textilen Verbund aufgestellt, das die Effekte der Mikroskala in homoge¬ni¬sierter Form beinhaltet, und das den geome¬trischen Effekten der ge¬krümmten Garne Rechnung trägt. Schließlich wird ein makromechanisches Modell entwickelt, das zur Berechnung realer Bauteile und Strukturen geeignet ist.Das Ziel des Projektes besteht in der Entwicklung eines Materialmodells, das die Vorhersage der Schädigungsentwicklung innerhalb der einzelnen Schichten ermöglicht. Dies erfolgt in dem vorliegenden Projekt mittels einer kontinuums¬mechanischen Beschreibung der progressiv fortschreitenden Schädigung. Das dafür zu entwickelnde Modell muss die Anisotropie des Verbundwerkstoffs, die Plastizität des Matrixmaterials, sowie die Interaktion der Schädigungskomponenten in unterschiedlichen Richtungen berücksichtigen. Darüber hinaus wird als wesentlicher Versagensfall bei Schichtverbunden die Delamination, also das Ablösen der Schichten voneinander, betrachtet. Sowohl die Progression der Schädigung innerhalb einzelner Schichten als auch die Delamination werden somit durch ein einziges Modell erfasst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Stefanie Reese