Ausgangssituation

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) verfügen aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit über ein hohes Leichtbaupotenzial. Es bestehen diverse rechnerunterstützte Ansätze für die Auslegung endlosfaserverstärkter Faserverbundbauteile. Dabei wird, unter Berücksichtigung insbesondere der Schichtdicke, Schichtreihenfolge und Faserorientierung, eine statische Auslegung gegen ein oder mehrere Versagenskriterien vorgenommen. Jedoch wird bei solchen Ansätzen die Materialermüdung nicht rechnerisch berücksichtigt. Mit einer Berechnung der Materialermüdung durch zyklische Beanspruchung kann ein weiteres Leichtbaupotenzial erschlossen werden, indem eine Verringerung von Sicherheitsfaktoren ermöglicht wird. Dem Ermüdungsverhalten von FKV liegen vielfältige Schädigungsmechanismen zugrunde, wie z.B. Matrixbruch, Faserdegradation oder Delamination, die zudem zu einer gegenseitigen Behinderung führen können. Dieses komplizierte Versagensverhalten erfordert aufwändige Schädigungsmodelle. Alternativ bietet sich eine  Betrachtung der auftretenden Material- und Strukturunsicherheiten durch probabilistische Auslegungsansätze an.

Bild 1: Qualitative Darstellung der Rate des Schadenswachstums über die Lebensdauer (links) und richtungsabhängige Schädigungsparameter D_i (rechts)

Zielsetzung

Das Hauptziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer konstruktionstechnischen Auslegungsrichtlinie zur Berücksichtigung des Ermüdungsverhaltens von Leichtbau-Faserverbundbauteilen. Der Fokus liegt dabei auf kraftflussgerechten Laminataufbauten von Halbzeuggeometrien, da diese besondere Vorteile bezüglich der Standardisierung besitzen und weite Verbreitung genießen. Als erstes Teilziel werden geeignete Bemessungsgrenzen definiert, die sowohl auf Steifigkeits- als auch Festigkeitsuntersuchungen anwendbar sind. Das zweite Teilziel stellt die Beurteilung und Fortentwicklung der Bemessungsgrenzen durch experimentelle Untersuchungen an Couponproben und Halbzeugen dar. Das dritte Teilziel ist die strukturierte Bereitstellung der Erkenntnisse, beispielsweise in Form eines Laminatauslegungsprogramms.

Lösungsansatz

In Kooperation mit dem Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg werden Simulationsstudien und Materialtests auf Coupon- und Halbzeugebene durchgeführt. Zunächst wird die Lasteinleitung durch Variation der Bedingungen hinsichtlich der Robustheit untersucht. Anschließend werden die Ergebnisse sowie vorläufig identifizierte Bemessungsgrenzen anhand von Coupon- und Halbzeugproben getestet und die Übertragbarkeit zwischen den beiden Ebenen bewertet. Es folgen simulative und experimentelle Untersuchungen zur Zeitfestigkeit unter Streuung einzelner Einflussgrößen, wie beispielsweise Schichtdicke, E-Modul oder Faservolumenanteil. Dadurch wird die Sensitivität ermittelt und erneut die Übertragbarkeit von der Coupon- auf die Halbzeugebene bestimmt. Aus den Untersuchungen werden konstruktive Maßnahmen und Gestaltungsrichtlinien abgeleitet. Diese werden abschließend an optimierten Halbzeugen mit divergierenden Bauteildimensionen evaluiert. Dadurch werden größenbedingte Effekte detektiert. Die größten Proben werden auf dem Hexapodprüfstand unter multiaxialer Belastung getestet.

Bild 2: Hexapodprüfstand