Teilprojekt B2: Kerbspannungs­berechnung von Mehrlagenge­stricken und textilverstärk­ten Sandwichsyste­men mit Insertelementen

Im Mittelpunkt des Projektes stehen Auslegungsmethoden für notwendige Ausschnitte und Einschlüsse (etwa Verbindungselemente wie Inserts oder Bolzen) bei anisotropen Strukturen aus Mehrlagengestrickverbunden sowie textilverstärkten Sandwichsystemen (Bild). Um die induzierten kritischen Spannungskonzentrationen bei derartigen Textil-Thermoplast-Strukturen vorauszuberechnen und mit realistischen Versagenshypothesen zu bewerten, werden textilgerechte Simulationsmodelle entwickelt und numerisch sowie experimentell validiert.

Aufbauend auf den in der ersten Phase entwickelten analytischen Modellen für quasi unendliche ebene Mehrschichtstrukturen mit Einschlüssen, die auf der klassischen Laminattheorie bzw. auf einem erweiterten Ansatz nach Mindlin/Reißner (Schubdeformationstheorie 1. Ordnung) basieren, soll in der zweiten Phase eine textilgerechte Simulationsmethode für die Spannungs- und Festigkeitsanalyse auf Basis von Superelementen und Submodelltechnik erarbeitet werden. Hierbei werden sowohl gekoppelte analytisch-numerische als auch rein numerische Verfahren eingesetzt und auf ihre Handhabbarkeit im Hinblick auf die zukünftige Demonstratorphase untersucht. Dazu sind unter anderem die bisher erarbeiteten analytischen Lösungsansätze auf Verbundstrukturen mit endlicher Berandung zu erweitern und Methoden zur Kopplung mit speziellen Elementen, die die Inserteinflüsse berücksichtigen, in die Finite-Elemente-Berechnung mit einzubeziehen.

Weiterhin sollen erweiterte Kerbfestigkeitskriterien erarbeitet werden. Diese basieren auf der Beobachtung, dass bei Kerbfestigkeitsproblemen auch Spannungskonzentrationen oberhalb der nominellen Festigkeiten in einem eng begrenzten Bereich um den Kerbrand nicht zum Versagen führen. Aufbauend auf den Arbeiten in der Basisphase, etwa zum Point-Stress-Criterion (PSC), sollen diese Kerbfestigkeitskriterien dahingegend weiterentwickelt werden, dass durch eine schichtweise Festigkeitsbewertung mittels textilgerechter Kriterien detaillierte Aussagen zum Versagensverhalten ermöglicht werden. Dies beinhaltet auch die Erarbeitung erweiterter Verfahren zur textilgerechten Wahl des Auswertepunktes bzw. der Auswertestrecke in Bezug auf den Ausschnitt. Weiterhin sind die Ansätze, die in ihrer ursprünglichen Form für den Lastfall Open-Hole-Tension (OHT) formuliert sind, auch auf andere Lastfälle, etwa Biegebelastung oder "Filled-Hole-Tension" (FHT), zu übertragen.

Die theoretischen Arbeiten werden durch begleitende Belastungsversuche experimentell validiert. Zusätzlich sind erste Untersuchungen zur Anwendung der erarbeiteten Methoden für die Kerbspannungs- und -festigkeitsanalyse auf textilverstärkte Verbundkomponenten mit Ausschnitten und Inserts unter hochdynamischer Belastung vorgesehen.

Die erarbeiteten Modelle und Kriterien dienen in der späteren Demonstratorphase zur Ableitung von Dimensionierungskriterien für die konstruktive Gestaltung der textilgerechten Verbindungen in den Projektbereichen B und E.

Leitung
Dr.-Ing. Martin Lepper
TU Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik  
01062 Dresden
Tel.: +49 351 463-38147
Fax: +49 351 463-38143