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C. Marte:
"Untersuchung von 2/2 Twill-Gewebe Laminaten mit Hilfe von 3D-Finite Elemente Einheitszellen";
Betreuer/in(nen): H. J. Böhm, D. H. Pahr; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2004.

Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen steigt kontinuierlich. Die ungenügende Kenntnis der Vorgänge innerhalb gewebeverstärkter Verbundwerkstoffe unter Belastung verhindert einen noch stärkeren Einsatz. Aufgrund der komplexen Geometrie ist die analytische Ermittlung der bestimmenden mechanischen Eigenschaften schwierig.

Diese Arbeit untersucht die Steifigkeiten und Spannungen eines durch eine Köperbindung (2/2-Twill-Gewebe) verstärkten Laminates mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente. Grundlage sind die Materialeigenschaften der Faserbündel (Tows) und Matrix, sowie deren geometrische Anordnung (Topologie). Für die Ermittlung der Topologie werden Mikroschliffe erzeugt und eine mikroskopische Analyse des zu untersuchenden Laminates durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage der FE-Modelle.
Das Finte Elemente Modell ist ein 3D-Einheitszellenmodell des Laminates. Auf Grundlage der Periodizität der Verschiebungen in einem periodischen Gewebe werden periodische Randbedingungen definiert. Ein spezieller Aspekt der Formulierung der Randbedingungen bedeutet die mögliche Beanspruchung der Einheitszelle durch Biegung.
Der Übergang von makroskopischer Belastung zu mikroskopischer Spannung und Verzerrung wird mit Hilfe des 3D-Modelles vollzogen.

Die erstellte Einheitszelle wird den ebenen Belastungen Zug und Schub ausgesetzt und liefert daraus Erkenntnisse über den Zustand im Inneren des durch eine Köperbindung verstärkten Laminates. Durch die Modellierung mit der Methode der Finiten Elementen ist eine getrennte Betrachtung von Matrix und Faserbündel möglich. Exemplarisch wird der Verlauf der Spannungskomponenten in einer Kette (Warp Tow) und einem Schuss (Fill Tow) dargestellt und daraus werden Rückschlüsse auf das Verhalten des Verbundwerkstof­fes auf die Belastung gezogen.

The main problem in using woven fabric laminates more frequently is the lack of knowledge regarding their stiffness and strength behaviour. Because of their complex geometry it is hard to obtain their constitutive properties with analytical models.

The present work uses a mesomechanical approach to evaluate the stiffness properties of a 2/2-twill weave fabric composite. Based on the property and topology of rovings and matrix, unit cell models are generated and the stiffness behaviour of the composite is computed with simple beammodels and 3D-finite element unit cell models. The model topology is based on data obtained by light microscopy.
The finite element unit cell model consists of a single layer unit cell of a 2/2-twill weave.
The necessary periodic displacement constraints (i.e. periodic boundary conditions) allow in-plane and out-of-plane deformations.

The 3D unit cell is loaded under in-plane tension and in-plane shear to understand the behaviour of the woven composite. The use of the finite element method allows a detailed stiffness analysis as well as a separate examination of matrix and tow stresses. The stress distributions along one fill and warp tow are extracted and discussed in detail.