Untersuchung des Tragverhaltens lokaler Lasteinleitungen von hochleistungs Thin-Ply Faser-Metall-Laminaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund der hervorragenden dichtspezifischen mechanischen Eigenschaften werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) immer häufiger als Primärwerkstoff für Leichtbaustrukturen eingesetzt. Herkömmliche CFK-Laminate schöpfen jedoch nicht das volle Potenzial der verwendeten Kohlenstofffasern aus. Um die zukünftigen Ziele der Dekarbonisierung zu erreichen, ist es notwendig, die Performance von Faserverbunden zu steigern. Die Reduzierung der Schichtdicke zu sogenannten Thin-Ply Laminaten stellt dabei eine Möglichkeit dar, die mechanische Performance von Verbundwerkstoffen zu erhöhen. Thin-Ply zeichnet sich durch eine Schichtdicke von weniger als 100 µm aus. Sie werden durch ein sogenanntes „Tow-Spreading“ Verfahren hergestellt, bei dem konventionelle Tows zu einem flachen Faserband gespreizt werden. Durch den Prozess weisen die Laminate höhere Laminatqualitäten wie eine homogenere Faserverteilung und weniger und kleinere harzreiche Bereiche auf. Mechanische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schichtdicke einen direkten Einfluss auf das mechanische Versagensverhalten besitzt. Dünne Lagen weisen eine erhöhte Querzug- und Scherfestigkeit (in-situ-effect) auf und die Initiierung von Delaminationen wird unterdrückt. Der Versagensmodus ändert sich von einem delaminationsdominierenden (Thick-Ply) zu einem spröden, faserdominierenden (Thin-Ply) Versagensverhalten. Obwohl Klebeverbindungen immer häufiger eingesetzt werden, sind Schraubverbindungen die gängigste Methode, zwei Bauteile miteinander zu verbinden. Aufgrund der möglichen Verwendung von Thin-Ply als primären Konstruktionswerkstoff ist es notwendig, das mechanische Verhalten von Schraubverbindungen in Abhängigkeit von der Schichtdicke zu untersuchen. Ergebnisse mechanischer Prüfungen zeigen, dass eine Verringerung der Schichtdicke zwar die Tragfähigkeit erhöht, jedoch nicht im selben Maße wie die Zug- und Druckfestigkeit. Um die Tragfähigkeit innerhalb dieser Studie zu erhöhen, werden 90° CFK Lagen lokal durch Edelstahlpatches substituiert. Aufgrund des isotropen Materialverhaltens weisen Metalle signifikant höhere Tragfähigkeiten auf. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Tragfähigkeit durch die Hybridisierung von Verbundwerkstoffen signifikant erhöht. Um das mechanische Verhalten zu beschreiben und verschiedene Entwurfsparameter zu untersuchen, besteht das Ziel dieses Projektes in der Entwicklung eines numerischen Modells, welches das Verhalten von hybriden Thin-Ply Laminaten untersucht. Experimentelle Versuche zeigten, dass Thin-Ply-Proben aufgrund von Faserknicken versagen. Aus diesem Grund wurde eine Modellierungsstrategie gewählt, die 3D-Spannungszustände und Faserknicken berücksichtigt. Um hohe Rechenleistungen zu vermeiden, werden Mikroschädigungen wie Matrixrisse nicht berücksichtigt. Die Ergebnisse der Simulationen der Thin-Ply und der Hybridproben zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Es zeigt sich, dass der Modellierungsansatz ohne Berücksichtigung von Mikroschäden für dünnere Lagen gut anwendbar ist, aber bei dickeren Lagen an seine Grenzen stößt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bearing Strength of High Performance Thin-Ply Fibre Metal Laminates; B. Koetter, K. Yamada, J. Koerbelin, K. Kawabe, M. Nishikawa, M. Hojo, F. Fiedler; US-Japan / EU- Japan Joint Conference on Composite Materials, Sendai, Japan, 2022
B. Koetter, K. Yamada, J. Koerbelin, K. Kawabe, M. Nishikawa, M. Hojo & F. Fiedler
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Effect of Gap Location on Impact Damage behaviour of Thin-ply CFRP Laminates; N. Takatsuka, B. Koetter, K. Yamada, M. Nishikawa; The 2nd Japan-China-Korea Joint Symposium on Composite Materials, Kanazawa, Japan, 2023
N. Takatsuka, B. Koetter, K. Yamada & M. Nishikawa
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Experimental Investigations and Finite Element Analysis of the Bearing Strength of High Performance Thin-Ply Fiber Metal Laminates; B. Koetter, K. Yamada, J. Koerbelin, K. Kawabe, M. Nishikawa, M. Hojo, F. Fiedler; APISAT 2023, Niigata, Japan, 2022
B. Koetter, K. Yamada, J. Koerbelin, K. Kawabe, M. Nishikawa, M. Hojo & F. Fiedler
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Numerical Simulation of the Bearing Behaviour of Thin-Ply Fibre Metal Laminates; B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler, M. Nishikawa; JCOM2023 – Future Generation Symposium on Composite Materials 2023, Shodoshima, Japan, 2023
B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler & M. Nishikawa
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Numerical Simulation of the Bearing Failure Mechanism of the Thin-Ply Metal Laminates; B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler, M. Nishikawa; Twenty-Third International Conference on Composite Materials (ICCM23), Belfast, Ireland, 2023
B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler & M. Nishikawa
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Numerical Simulation of the Bearing Strength of Thin-Ply Fibre Metal Laminates; B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler, M. Nishikawa; 6th International Conference on Materials and Reliability, Yamaguchi, Japan, 2023
B. Koetter, K. Yamada, N. Takatsuka, F. Fiedler & M. Nishikawa
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Numerical investigation of the bearing performance of Thin- and Thick-Ply hybrid laminates. Composite Structures, 345, 118372.
Kötter, Benedikt; Yamada, Kohei; Takatsuka, Naoki; Fiedler, Bodo & Nishikawa, Masaaki
