Beschreibung des Ermüdungsverhaltens gewebeverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde unter kombinierter interlaminarer Schub- und out-of-plane Druckbeanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann; Professor Dr.-Ing. Maik Gude
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450147819

Ziel des Vorhabens ist die experimentelle Erforschung des Ermüdungsverhaltens von gewebever-stärkten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit duroplastischer Matrix unter kombinierter interlaminarer Schub- und out-of-plane Druckbeanspruchung. Hierauf aufbauend sollen Modelle erarbeitet werden, die zukünftig die Grundlage zur schadenstoleranten Auslegung von FKV-Komponenten unter Berücksichtigung der gewebespezifischen Lagenarchitektur und -anordnung in hoch bean-spruchten FKV-Primärstrukturen (Fan Blades, Profilwellen, Flugzeugrümpfe etc.) bilden. Zum Ver-ständnisaufbau steht in dem Antragszeitraum das interlaminare Risswachstum in Abhängigkeit von einer überlagerten konstanten out-of-plane Druckbeanspruchung und der spezifischen Gewebear-chitektur im Fokus der wissenschaftlichen Forschung. Dazu wird eine in Zusammenarbeit der An-tragsteller entwickelte und erprobte bi-axiale Prüfmethode weiterentwickelt. Es werden Methoden zur experimentellen Bestimmung bruchmechanischer Parameter wie Delaminationslänge und Spannungsintensitätsfaktoren erarbeitet. Hierbei bieten sich Algorithmen der Bilderkennung (machine learning – computer vision) und die Methode der Verknüpfung von Experiment und Simulation (virtueller Zwilling) an. Unter Annahme der linear-elastischen Bruchmechanik werden zyklische Energiefreisetzungsraten, Bruchwiderstandskurven, Rissschließfunktionen u.a. in Abhängigkeit von der Gewebeverstärkung und der Beanspruchungskombination aus den experimentellen Daten der zyklischen Prüfung abgeleitet. Neben der neu entwickelten bi-axialen zyklischen Prüfmethode, welche an einer servo-hydraulischen Prüfmaschine Instron 8800 durchgeführt wird, dienen stan-dardisierte Prüfmethoden wie DCB und ENF zur Charakterisierung des zyklischen Delaminations-wachstums ohne den Einfluss einer out-of-plane Druckbeanspruchung. Zusätzlich wird mittels ver-besserter Methoden der CT-Analysen detailliertes Wissen über die Gewebearchitektur/-anordnung der drei vorausgewählten Leinwandgewebe generiert. In den entwickelten Methoden der Multiskalensimulation werden diese Daten genutzt, um den gewebespezifischen Einfluss auf das Delaminationsverhalten bei einer out-of-plane Druckbeanspruchung beschreiben zu können. Die Ergebnisse des Multiskalenansatzes werden mit den experimentellen Daten verglichen, damit Einflussfaktoren auf das Delaminationswachstum und auftretende phänomenologische Erscheinungen wie Risssprünge in einem gewebeverstärkten FKV durch Korrelationsanalysen ermittelt und separiert werden können. Zur Zusammenführung aller Ergebnisse werden neue Analysemethoden aus dem Bereich des machine learnings verwendet. Methoden aus den Unterbereichen des supervised und un-supervised learnings wie mathematische Klassifizierungs-, Regressions- oder Gruppierungsmodelle werden genutzt. Ziel ist es, vorhersagende Risswachstumsgesetze und Wöhler-Kurven zur ingenieurtechnischen schadenstoleranten Auslegung gewebeverstärkter FKV zu generieren und bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen