Rissverhalten von unidirektionalen Flachsfaser-Epoxidharz-Verbunden infolge statischer Belastung

Produktbeschreibung

Verbundwerkstoffe weisen ein anderes Rissverhalten als homogene und isotrope Materialien auf. In der vorliegenden Arbeit sind Flachsfaser-Epoxidharz-Verbunde, in denen die Fasern
unidirektional orientiert sind, bruchmechanisch charakterisiert. Das Versagensverhalten und die Rissverläufe werden hinsichtlich verschiedener Konstellationen untersucht. Die Variation des Winkels zwischen Initialriss und Faserorientierung erfolgt hierbei in Kombination mit der Variation des Faservolumenanteils. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass sich Risse nicht ausschließlich beanspruchungsgesteuert ausbreiten, sondern Orientierung und Anzahl der Fasern eine Rolle spielen. Des Weiteren erfolgen numerische Simulationen für verschiedene Materialmodelle. Ein auf den experimentellen Daten basierendes Modell ermöglicht die Vorhersage der Rissausbreitungsrichtung in Abhängigkeit von dem Faserwinkel und dem Faservolumenanteil.

Inhaltsverzeichnis
Notation VII
Kurzfassung/Abstract XIV
1 Einleitung 1
2 Bruchmechanische Grundlagen 3
2.1 Linear-elastische Bruchmechanik homogener und isotroper Materialien . . . 3
2.1.1 Spannungsverteilung an der Rissspitze . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Rissbeanspruchungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Rissverhalten infolge statischer Belastung . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 Rissverhalten infolge zyklischer Belastung . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.5 Weitere bruchmechanische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.6 Bruchkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Linear-elastische Bruchmechanik inhomogener und anisotroper Materialien 15
2.2.1 Risse in anisotropen Körpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Bruchkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Verbundwerkstoffe 21
3.1 Definition, Einteilung und Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Faserverbunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Verstärkungsfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Naturfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 Polymere Matrixsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Faser-Kunststoff-Verbunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Einsatzbereiche und Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 Begriffe und Werkstoffgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.5 Bruchmechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.6 Versagensmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Experimentelle Untersuchungen 49
4.1 Materialien und Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 Herstellung und Präparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1 Faservolumenanteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.2 Zugelastizitätsmoduln der Flachproben . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 Maximalzugkräfte der Kompaktzugproben . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.4 Einfluss der Faserorientierung und des Faservolumenanteils auf den
Risspfad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3.5 Einfluss der Faserorientierung und des Faservolumenanteils auf den
Versagensmechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.6 Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Numerische Simulationen 73
5.1 Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Ermittlung bruchmechanischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.1 Rissschließungsintegral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.2.2 Programmsystem ADAPCRACK3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Anwendung auf Flachsfaser-Kunststoff-Verbunde . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.1 Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.2 Materialparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.3 Belastungsparameter und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.4 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6 Konzept zur Vorhersage der Rissabknickwinkel 91
6.1 Erstellung des mathematischen Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.1 Vorüberlegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1.2 Wahl der Bereichsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1.3 Wahl der Ansatzfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2 Anwendung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.1 Anwendung auf reduzierten Datensatz . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.2 Anwendung auf vollständigen Datensatz . . . . . . . . . . . . . . . 100
7 Zusammenfassung und Ausblick 103
Literaturverzeichnis 106

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