Mehrskalige Materialmodellierung
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten noch immer Raum für umfangreiche Eigenschaftsoptimierung. Ein besseres Verständnis des Zusammenspiels ihrer Bestandteile durch mehrskalige Betrachtungen kann genutzt werden um ihr Potential für Gewichts-, Resourcen- und Energieeinsparung zu heben und neue Anwendungsgebiete zu erschließen.
Jegliche Materialien sind von Natur aus mehrskalig, ihre makroskopisch beobachtbaren Eigenschaften basieren auf ihrem Aufbau auf niedrigeren Längenskalen. Typische Einflussfaktoren für das Materialverhalten von FKV sind die Fasereigenschaften, die Kunststoffmatrix und die Grenzschicht zwischen beiden sowie die Faseranordnung. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Betrachtung auf drei Längenskalen.
Drei typischerweise untersuchte Skalen von Faser-Kunststoff-Verbunden
Lokale Materialmodellierung
Auf der Mikroskala wird die Interaktion einzelner Faserfilamente miteinander und mit der umgebenden Kunststoffmatrix untersucht. Dabei wird nichtlinear inelastisches Verhalten insbesondere des Matrixmaterials modelliert. Bei höheren Belastungen muss außerdem Schädigung berücksichtigt werden, insbesondere in der Grenzfläche zwischen Fasern und Matrix. Die zugehörigen Materialmodelle werden entsprechend der experimentellen Charakterisierung gewählt und parametrisiert.
Bei der Untersuchung von lokalen Schädigungsphänomenen an repräsentativen Volumenelementen liegt ein weiteres Augenmerk auf den verwendeten Randbedingungen. Durch diese kann die Schädigungslokalisierung an bestimmten Stellen des Volumenelementes befördert oder verhindert werden, was zu unterschiedlichen Prognosen für das effektive Materialverhalten führt.
Kontinuumsschädigungsverteilung in sechs Volumenelementen mit unterschiedlichen Randbedingungen unter ansonsten identischen Bedingungen
Neben den Untersuchungen am reinen Verbundmaterial, spielt bei der Entwicklung neuartiger Leichtbaustrukturen in Faserverbund-Metall-Mischbauweise das Verbindungsversagen eine entscheidende Rolle. Das Verständnis der Interaktion zwischen adhäsivem Versagen der Polymer-Metall-Grenzschicht und einem kohäsiven Versagen im Verbundmaterial ermöglichen die gezielte Beeinflussung der lokalen Oberflächenstruktur zur Traglastoptimierung. Mithilfe eines repräsentativen Grenzflächenausschnitts werden die Einflüsse verschiedener geometrischer Grenzflächenkonturen auf das effektive Versagensverhalten der Verbindungszone analysiert.
Repräsentativer Auschnitt der Verbindungszone zwischen Metall- und FKV-Komponente. Die Oberfläche kann je nach Vorbehandlung eine spezielle geometrische Struktur aufweisen.