Mesoskopische Schadensmodellierung geflochtener Faserverbundkunststoffe mittels Netzüberlagerung bei statischer und stoßartiger Belastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Middendorf; Privatdozent Dr. Anthony Pickett
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463336942

Flechten ist ein kosten- und zeiteffizientes Verfahren zur Herstellung kontinuierlicher textiler Faserhalbzeuge. Über den Flechtwinkel oder die Bindungsart kann die Faserarchitektur optimal an den dimensionierenden Lastfall angepasst werden. Dabei haben Geflechte eine besonders gute Schadenstoleranz, wobei die Schadensfortpflanzung nach Initialschädigung maßgeblich durch die Faserarchitektur beeinflusst wird. Für eine korrekte Schadensanalyse muss daher die geometrische Komplexität der Faserarchitektur, sowie die einzelnen Versagensmechanismen von Faser bzw. Faserbündel, Matrix und Faserbündel-Matrix-Interface korrekt berücksichtigt werden. Dies ist aktuell nur eingeschränkt möglich, weshalb verstärkt verschmierte Ansätze verwendet werden, in denen die genannten Versagensmechanismen ebenfalls verschmiert und damit nur angenähert werden. Speziell bei zeitabhängigen Problemen, wie bspw. dem Impact, ist eine Detailmodellierung aufgrund des enormen Modellierungsaufwands und der notwendigen Rechenkapazitäten nicht praktikabel.Die Methode der Netzüberlagerung bietet hier Abhilfe, indem die Fasern und das Harz unabhängig voneinander vernetzt und mittels kinematischer Zwangsbedingungen gekoppelt werden. Dies reduziert nicht nur die Gesamtelementanzahl, sondern auch die Freiheitsgrade im zu lösenden System. Nachteilig hierbei ist die sich ergebende Volumenredundanz, die in einer Steifigkeitsredundanz resultiert. Dies bedarf einer Korrektur, um den mittels konventioneller Modellierung äquivalenten Spannungszustand zu erhalten. Für den Fall der Schadensfortpflanzung muss dies zur Laufzeit der numerischen Simulation erfolgen. Weiterhin können bisherigere Modellierungstechniken nicht ohne Anpassung für die Netzüberlagerung verwendet werden, um Schädigung oder Delaminationen nach statischer oder stoßartiger Belastung abzubilden.Das hier beantragte Forschungsvorhaben zielt auf die mesoskopische Schadensmodellierung geflochtener Faserverbundstrukturen unter statischer und stoßartiger Belastung ab. Ferner sollen bestehende Modellierungstechniken und Materialmodelle beibehalten werden und eine Methodik entwickelt werden, diese mittels Netzüberlagerung nutzbar zu machen. Als Ergebnis lassen sich die auftretenden Schadensmechanismen nicht mehr verschmiert, sondern getrennt voneinander und ganzheitlich erfassen, was zu einer höheren Prognosegüte und besserem Materialverständnis als mit bisherigen Ansätzen führt. Auf dieser Basis kann eine für den Lastfall optimierte Faserarchitektur abgeleitet werden, was anhand von unterschiedlichen Lastfällen von nicht-symmetrischem Schub, Open-Hole-Zug (statisch) sowie Impact und CAI-Versuchen (stoßartig) validiert wird. Damit ist die Netzüberlagerung nicht nur auf geflochtene Strukturen beschränkt, sondern wird auch auf andere Textilverbundwerkstoffe anwendbar sein. Dies trägt dazu bei, die derzeitigen Möglichkeiten zur Modellierung geometrisch komplexer Komponenten unter statischem Versagen und Stoßbelastung zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen