ISBN 978-3-8439-2209-8

978-3-8439-2209-8, Reihe Luftfahrt

Markus Grafen
Analyse des Delaminationsversagens inhomogener Faserverbundstrukturen

175 Seiten, Dissertation Universität der Bundeswehr München (2015), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Delamination ist eine Versagensform von Faserverbundstrukturen, die im Festigkeitsnachweis betrachtet werden muss und deren Vorhersage immer noch recht schwierig ist.

Die einzelnen Lagen eines Laminates werden in einem Fertigungsprozess direkt miteinander verklebt. Damit können sowohl Geometrie als auch physikalische Eigenschaften der Grenzschichten zwischen den Lagen nicht genau angegeben werden.

Eine Delaminationsanalyse mit Hilfe von kontinuumsmechanischen Ansätzen, basierend auf der Balken- und der Scheibentheorie, ist prinzipiell relativ einfach durchzuführen. Allerdings kann dieser Weg wegen der fehlenden Kennwerte Elastitzitätsmodul, Schubmodul, Schichtdicke und Festigkeit der interlaminaren Grenzschichten nur in Ausnahmefällen beschritten werden.

Alternativ können Ansätze aus der Bruchmechanik für die Delaminationsanalyse herangezogen werden. Hierbei dient die kritische Energiefreisetzungsrate als Festigkeitskennwert. Auf dieser Vorgehensweise basierende spezielle Elemente (Kohäsivzonenelemente) existieren für FE-Analysen. Diese Elemente müssen allerdings zwischen die eigentlichen lasttragenden finiten Elemente eingefügt werden, was einen sehr großen Modellierungs- und Rechenaufwand bedeutet. Kohäsivzonenmodelle stellen eine Art Materialgesetz dar.

Werden nun die interlaminare Harzschichten in einem Laminat durch Kohäsivzonenmodelle und die lasttragenden Lagen durch Biegebalken idealisiert, so kombiniert man Ansätze der Bruchmechanik mit einfach anzuwendenden kontinuumsmechanischen Ansätzen. Geschieht dies am Beispiel der im Leichtbau bekannten "Mehrgurtscheibe", ersetzt man die ursprüngliche "Scheibe", die die Gurte verbindet und die die Lastübertragung von einem auf einen anderen Gurt gewährleistet, durch ein Kohäsivzonenmodell. So wird für den gewählten Lösungsansatz der Begriff Mehrgurt-Kohäsivzonen-Modell eingeführt.

Das aus dieser Betrachtung folgende lineare Differentialgleichungssystem wird gelöst und mittels der Methode der Übertragungsmatrizen der nichtlineare Last-Verformungs-Zusammenhang schrittweise berechnet. Es zeigt sich ein charakteristischer Lastverlauf, aus dem eine Delaminationsfestigkeit in Form einer kritischen Last ermittelt werden kann.

Es zeigt sich, dass das Mehrgurt-Kohäsivzonenmodell experimentell ermittelte Versagenslasten recht gut wiedergibt und die Ergebnisse denen von FE-Analysen entsprechen. Die Analyse ist dabei deutlich effizienter, als herkömmliche Analysen nach der Methode der Finiten-Elemente.