Mesoskopische Schadensmodellierung geflochtener Faserverbundkunststoffe mittels Netzüberlagerung bei statischer und stoßartiger Belastung
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde das Verhalten von geflochtenen Faserverbundstrukturen unter quasi-statischer sowie stoßartiger Belastung betrachtet. Die Untersuchungen umfassen unterschiedliche Geflechtarchitekturen (Variation von Winkel und Geflechtart), sodass deren Einfluss auf das mechanische Antwortverhalten bewertet werden kann. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der experimentellen Analyse und der numerischen Modellierung des Schädigungsverhaltens, weshalb hierfür zunächst bruchmechanische Charakterisierungsversuche, Open-Hole Tension (OHT) sowie Impact- und Compression-After-Impact (CAI) Versuche durchgeführt wurden. Die Versuche wurden zudem mittels Digital-Image- Correlation (DIC) begleitet, was die Beobachtung von lokalen Effekten ermöglichte und Aufschluss über das Versagensverhalten und den Versagensort lieferte. Um den Einfluss der textilen Verstärkungsarchitektur numerisch zu prognostizieren, wurde die Methode der Netzüberlagerung verwendet. Hierfür werden Matrix (Master) und Textil (Slave) getrennt voneinander vernetzt, anschließend überlagert und mittels kinematischer Zwangsbedingung gekoppelt. Durch die getrennte Vernetzung wird die Modellvorbereitung stark vereinfacht und der zeitliche Aufwand reduziert, was speziell bei Textilien bis dato besonders herausfordernd war. Ferner ermöglicht die Netzüberlagerung eine rein mesoskopische Betrachtung, sodass ein Übertrag im Sinne einer Multiskalenbetrachtung von der Mesoauf die Makroebene entfällt. Dies beugt einem skalenbedingten Informationsverlust vor und die Ableitung eines bspw. phänomenologischen Materialmodells entfällt. Allerdings kommt es durch die Überlagerung zu einer methodenbedingten Volumenredundanz. Dies sorgt bei Zuweisung korrekter physikalischer Materialkenngrößen zunächst für zusätzliche Steifigkeit und Masse, sodass keine Gleichheit mehr zur konventionellen Finite-Elemente-Modellierung besteht. Um die Volumenredundanz zu berücksichtigen wurde daher ein Korrekturzyklus im Kontext expliziter Zeitintegration entwickelt, welcher um ein bestehendes Kontinuumsschädigungsmodell für Faserverbundwerkstoffe aufgebaut wurde. Die Umsetzung erfolgte im kommerziellen FE-Solver LS-DYNA. Der Aufbau ist derart gestaltet, dass das Materialmodell selbst nicht modifiziert wird, was diesem Ansatz eine gewisse Generalität verleiht und eine zukünftige Übertragbarkeit auf andere Materialmodelle erleichtert. Für die eigentliche Korrektur erfolgt vor und nach Evaluation des Materialgesetzes eine Anpassung der Steifigkeiten und Massen, sodass wieder zur konventionellen FE-Modellierung äquivalente Spannungsund Dehnungstensoren resultieren. Diese bilden die Grundlage zur Schadensanalyse, wobei mit der entwickelten Methode neben quasi-statischen auch stoßartige Belastungen mit hoher Prognosegüte abgebildet werden konnten. Gegenüber dem Stand der Forschung können zudem deutlich größere Modelle vollständig mesoskopisch betrachtet werden, sodass auch komplexe Lastfälle oder lokale Effekte wie bspw. Löcher untersucht werden können. Weiterhin ist die Methode nicht auf Geflechte limitiert, sondern kann auf jegliche Art textiler Halbzeuge angewendet werden, um den Faserarchitektureinfluss auf das mechanische Antwortverhalten zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Konferenzbeitrag: Mesoscopic Modeling of Braided Structures by Means of Laser Triangulation Measurement and Mesh Superposition Technique, TexComp-14, Kyoto, Japan, 14-16 September 2022.
Czichos, R. et al.
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Influence of fiber architecture variations on the mechanical behavior of carbon fiber braids subjected to quasi-static loads. Composites Part B: Engineering, 292, 112062.
Czichos, Ruben; Krischler, Ruben; Hering, Christoph & Middendorf, Peter
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Monographie: Beitrag zur numerischen Modellierung mesoskopischer Kohlenstofffasergeflechtstrukturen unter Berücksichtigung prozessinduzierter Variabilitäten, eingereichte Dissertation, Universität Stuttgart, Institut für Flugzeugbau, Stuttgart, 2025.
Czichos, R.
