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M. Springer:
"Nichtlineare Finite Elemente Simulation der Schädigungsmechanismen sowie der Resttragfähigkeit von schlagbeanspruchten Kohlenstofffaser-Epoxidharz-Verbunden";
Betreuer/in(nen): H. E. Pettermann, M. Schwab; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2014; Abschlussprüfung: 18.09.2014.

Die hervorragenden Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden haben dazu geführt, dass die Einsatzgebiete für solche Materialien in den letzten Jahren ständig zugenommen haben. Durch die Entwicklung neuer Verarbeitungstechniken und Berechnungsmethoden werden Verbundwerkstoffe nicht mehr nur für untergeordnete Zwecke eingesetzt, sondern übernehmen Aufgaben in tragenden Strukturen. Um das komplette Gewichtseinsparungspotential von Faser-Kunststoff-Verbunden ausnutzen zu können, reichen herkömmliche Berechnungsverfahren oft nicht mehr aus. Es werden kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle entwickelt, welche das Materialversagen auch noch nach Schädigungsinitiierung
vorhersagen können.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Schädigungsmechanismen sowie die Resttragfähigkeit von schlagbeanspruchten Kohlenstofffaser-Epoxidharz-Verbunden mittels der nichtlinearen Finite Elemente Methode nachzubilden. Diese Verbundmaterialien kommen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt aufgrund ihrer hohen Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig niedriger Massendichte zum Einsatz. Flugzeuge unterliegen den unterschiedlichsten Beanspruchungen. Mehrschichtverbunde sind insbesondere auf Belastungen quer zum Laminataufbau anfällig. Bereits geringe Stoß beanspruchungen können im Inneren des Materials erhebliche Schäden verursachen, welche mit freiem Auge von au en kaum erkennbar sind. Besonders gefährlich sind hierbei sogenannte Low-Velocity-Impacts, also Stoßvorgänge bei niedriger Geschwindigkeit. Diese können bei Flugzeugen aufgrund von Hagelkörnern, Trümmern auf den Landebahnen oder fallengelassenen Werkzeugen auftreten.

Zur Bestimmung der Resttragfähigkeit von Faser-Kunststoff-Verbunden werden standardisierte Testmethoden verwendet. Die Einbringung der Impactschädigung in Versuchsplatten erfolgt mittels Fallwerken (Drop Weight Impact Test). Druckbeanspruchungen stellen nach einer erfolgten Impactschädigung die kritische Belastungsart dar. Ein Impactvorgang kann zu großflächigen Delaminationen zwischen den einzelnen Laminatschichten führen. Dadurch wird der Mehrschichtverbund in mehrere Sublaminate mit verringerten Stabilitätseigenschaften aufgeteilt und die Resttragfähigkeit minimiert. Zur Bestimmung der Restdruckfestigkeiten der vorgeschädigten Versuchsplatten werden Druckprüfungen verwendet
(Compression After Impact Test).

Diese Testverfahren werden nun mit der expliziten Finite Elemente Methode simuliert. Die beiden Hauptversagensformen, interlaminare Schichtschädigung und intralaminare Delamination sollen mit dem Berechnungsmodell nachgebildet werden. Es kommen unterschiedliche kontinuumsmechanische Schädigungsmodelle zur Berechnung des Schichtversagens und der Schädigungsevolution zum Einsatz. Interfaceschädigungen werden über Kohäsivgesetze mit Separationsansätzen beschrieben. Außerdem werden Modelle mit unterschiedlichen Faserausrichtungen simuliert und verschiedene Modellierungsstrategien für den Aufbau des Faser-Kunststoff -Verbundes mit gewebeverstärkten Laminatschichten präsentiert.

Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Modelle werden erläutert und die Resultate diskutiert. Abschlie ßend werden die erhaltenen Simulationsergebnisse mit durchgeführten Testergebnissen verglichen.