ISBN 978-3-8439-3273-8

978-3-8439-3273-8, Reihe Luftfahrt

Jan-Philipp Fuhr
Schichtbasierte Modellierung von Fertigungseffekten in der Struktursimulation von Faserverbundwerkstoffen

260 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2017), Hardcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Faserverstärkte Kunststoffe stellen aufgrund ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaften und der Möglichkeit der lastpfadgerechten Dimensionierung einen vielversprechenden Hochleistungswerkstoff dar. Das Leichtbaupotential des stark anisotropen Materials lässt sich in der Praxis aufgrund von Unsicherheiten bei der Strukturauslegung jedoch häufig nicht optimal nutzen. Entscheidend hierfür ist die bis dato noch nicht zuverlässige Prognosegüte bei der Festigkeits- und Crashberechnung von FVK sowie unbekannte Einflüsse von Fertigungseffekten und -defekten auf die mechanischen Bauteileigenschaften.

Die vorliegende Arbeit untersucht Fertigungseinflüsse, die insbesondere durch die Drapierung von flächigen Endlosfaser-Gelegen auf komplexe Geometrien entstehen. Für Faserwinkeländerungen, Faserwelligkeiten sowie den Faservolumengehalt werden dazu umfangreiche Materialtests auf Coupon-Ebene durchgeführt, um eine umfassende Datenbasis mit einer einheitlichen Faser-Matrix-Kombination bereitzustellen.

Die Ergebnisse dienen dem Aufbau und der Validierung von Materialkarten und numerischen Modellierungsansätzen für die Crashberechnung von FVK, die das anisotrope Steifigkeits-, Schädigungs- und Festigkeitsverhalten der unidirektionalen Einzelschicht beschreiben.

Für UD-Laminate mit Faserwinkelabweichung sowie gescherte Winkelverbunde wird dabei eine hohe Prognosegüte hinsichtlich der Steifigkeitsabminderung, dem nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Verhalten und des ZFB-Versagens unter mehrachsigen Spannungszuständen erzielt. Zur Modellierung von Faserwelligkeiten in der Laminatebene wird darauf aufbauend ein numerisch effizienter Ansatz entwickelt, der das strukturmechanische Verhalten in der Simulation in guter Übereinstimmung mit den Versuchen abbildet.

Für die weiterführende Validierung werden experimentelle und numerische Untersuchungen an einem Demonstratorbauteil durchgeführt. Die Faserwinkel werden dabei vergleichend durch kinematische und makroskopische FE-Drapiersimulation sowie durch eine neuartige optische Preformanalyse ermittelt. Die Ergebnisse zeigen in der Struktursimulation eine deutliche Verbesserung der Prognosegüte hinsichtlich Festigkeit und Schädigung durch die Nutzung einer realistischen Faserwinkelverteilung und der zuvor ermittelten Materialparameter. Die Arbeit liefert damit Ansätze und Methoden, um Fertigungseffekte in der Auslegung von FVK-Komponenten ohne Abminderungsfaktoren unmittelbar zu berücksichtigen.