Entwicklung eines ganzheitlichen Ermüdungsschädigungsansatzes für FKV-Strukturen zur Beschreibung des Stabilitätsverhaltens infolge von Delaminationswachstum

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maik Gude; Professor Dr.-Ing. Raimund Rolfes
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567203965

In der Praxis eingesetzte Hochleistungsbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) erfahren im Laufe ihrer Lebensdauer insbesondere zyklische Beanspruchungen. Regelmäßig treten dabei auch Belastungen mit Wechsel der Lastrichtung zwischen Zug und Druck auf. Im Schädigungsverlauf ermüdungsbeanspruchter FKV mit unterschiedlich orientierten Schichten stellen Zwischenfaserbrüche (Zfb) meist den initialen Schädigungsmechanismus dar. Treffen die intralaminaren Zfb auf Schichtgrenzen, begünstigen diese die Delaminationsbildung. In der Folge gewinnt das Stabilitätsverhalten der Struktur an Bedeutung, da Delaminationen die Beulsteifigkeit flächiger Laminate stark reduzieren. Das Zusammenspiel von verteiltem Zfb-Wachstum mit starker Steifigkeitsdegradation des Laminats und diskretem Delaminationswachstum mit der Folge eines Stabilitätsversagens durch Ermüdungsbelastung mit Druckanteil ist bislang nicht hinreichend untersucht und verstanden. Aus Sicherheitsgründen werden FKV-Strukturen deshalb meist weit unterhalb ihrer tatsächlich ertragbaren Belastungen beansprucht. Die verbesserte Ausnutzung des Leichtbaupotenzials realer FKV-Strukturen erfordert deshalb fundierte Erkenntnisse über das veränderliche Stabilitätsverhalten infolge Zfb- und Delaminationswachstum unter Ermüdungsbelastung mit Druckanteilen. Aufbauend auf umfangreichen experimentellen Analysen zu Entstehung, Wachstum und Einfluss von Delaminationen auf das Stabilitätsverhalten von FKV-Prüfkörpern soll zunächst ein tiefgreifendes Verständnis der Schädigungsphänomenologie erforscht werden. Dazu zählt die gezielte Untersuchung und Quantifizierung der Schädigungsmechanismen Zfb und Delamination mit neuen Methoden, die eine separate Analyse des Einflusses des jeweiligen Schädigungsmechanismus auf das Stabilitätsverhalten ermöglichen. Die gewonnenen experimentellen Erkenntnisse dienen zur Entwicklung einer neuartigen Simulationsmethode zur Berechnung des ermüdungsbedingten Stabilitätsverhaltens. Diese Simulationsmethode basiert auf einer gekoppelten numerischen Beschreibung von Zfb- und delaminationsbedingter Degradation infolge Ermüdung. Im Unterschied zu bestehenden homogenisierenden Ansätzen soll im Rahmen des Vorhabens ein ganzheitliches Ermüdungsschädigungsmodell entwickelt werden, das eine Differenzierung zwischen den Schädigungsanteilen von Zfb und Delamination vornimmt. Hierzu soll ein Kontinuumsschädigungsmodell, das die Steifigkeitsdegradation infolge Ermüdung durch Zfb abbildet, mit einem Kohäsivzonenmodell gekoppelt werden, welches das ermüdungsbedingte Delaminationswachstum beschreibt. Die Kopplung der beiden Modelle soll dabei in Form eines hybriden Kohäsivzonenelements realisiert werden und über die Schädigungsanalyse hinaus auch die Stabilitätsanalyse der numerischen Modelle ermöglichen. Das beantragte Projekt liefert somit fundierte experimentelle Erkenntnisse und eine neuartige numerische Beschreibung des Einflusses von Zfb und Delamination auf das Stabilitätsverhalten von FKV.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen