DFG UL 121/14-1 - Berechnung des effektiven Verbundverhaltens durch Homogenisierung auf Basis von mikromechanisch gemessenen Materialeigenschaften

Berechnung des effektiven Verbundverhaltens durch Homogenisierung auf Basis von mikromechanisch gemessenen Materialeigenschaften

Im Projekt wird ein auf Homogenisierungsverfahren basierendes Konzept zur skalenübergreifenden Modellierung der Schädigung in Faser-Kunststoff-Verbunden auf drei Skalen - Mikro, Meso und Makro - verfolgt. In der ersten Projektphase wurde die Methodik entwickelt, um die Eigenschaften der Fasern und der Faser-Matrix-Grenzschicht auf Mikroebene zu bestimmen. Zur Charakterisierung dieser wurden Simulationen und experimentelle Ergebnisse von Einzelfaserfragmentierungsversuchen (SFFT) und Einzelfaserauszugsversuchen (Pullout) verglichen. Die viskoelastischen Eigenschaften der Matrix wurden ebenfalls identifiziert. In der zweiten Projektphase soll zunächst das ratenabhängige Schädigungsverhalten des Matrixmaterials im Abgleich mit Experimenten modelliert und parametrisiert werden. Damit ist das Verhalten aller Bestandteile des Verbundes bekannt. Aufbauend auf diesem Kenntnissstand wird das effektive Schädigungsverhalten von Faserverbunden auf Makroebene durch eine zweistufige numerische Homogenisierung bestimmt. Diese Homogenisierung basiert auf der Simulation von repräsentativen stochastischen Verteilungen von Faserfilamenten und -festigkeiten auf der Mikroebene sowie der Verstärkungsstruktur aus Rovings auf der Mesoebene. Sämtliche Simulationen werden begleitet von Experimenten, um Modellparameter zu kalibrieren und Voraussagen zu validieren. Neben den eingangs erwähnten Experimenten dienen Versuche an Mehrfaserproben der Validierung des Zusammenspiels von Matrix- und Grenzflächenschädigung auf Mikroebene. Die Homogenisierungsergebnisse werden an unidirektional und mehraxial verstärkten Proben validiert. Die vorgesehene Untersuchung ist grundlegender Natur. Die betrachtete Materialkombination (E-Glas und Epoxidharz) sowie die Verstärkungsgeometrie (Faserstruktur) sind beispielhaft. Die Ergebnisse sind dennoch von unmittelbarem Interesse für die Anwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden. Im Vergleich zu Stahl oder Aluminium wird ihr Potential mangels Quantifizierung des Schädigungsverhaltens bisher schlecht ausgenutzt.