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Mikromechanische Modellierung von Fasergelege-Kunststoff-Verbunden auf Basis von Normprüfungen der in-situ-Eigenschaften der Matrix

Faser-Polymermatrix-Verbunde besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Um Faserverbundstrukturen auslegen zu können, ist die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Materialien notwendig. Zuvor werden diese mechanischen Eigenschaften üblicherweise in mechanischen Prüfungen gemessen. Auf Basis der so ermittelten Prüfergebnisse werden anschließend mechanische Modelle der Faserverbundmaterialien erstellt. Um die mechanischen Eigenschaften der Materialien im quasi-statischen Fall beschreiben zu können, sind aufgrund der Anisotropie in aller Regel mindestens drei Prüfungen an einem Material notwendig. Dabei werden häufig Schwankungen in der Probendicke und damit im Faservolumenanteil beobachtet. Diese Schwankungen ziehen Streuungen in den gemessenen Elastizitäten und Festigkeiten nach sich. Demnach werden Ergebnisse von Prüfungen in einem Materialmodell vereint, die bei unterschiedlichen Faservolumenanteilen ermittelt wurden. Da die mechanischen Eigenschaften von Faserverbunden stark vom Faservolumengehalt abhängig sind, entstehen dabei große Fehler. Dadurch und durch andere Einflüsse wie Porositäten und Winkelabweichungen der Faserhalbzeuge sowie der Einzellagen können deutliche Streuungen in den Messergebnissen entstehen. In dieser Arbeit wird die inverse Laminattheorie (ILT) erweitert und zur inversen Berechnung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundmaterialien eingesetzt. Das so entwickelte Verfahren wird als Erweiterte Inverse Laminattheorie (EILT) bezeichnet. Auf diesem Wege können beispielsweise Unterschiede in den Faservolumenanteilen der unterschiedlichen Prüfkörper berücksichtigt werden. Der Zyklus der Ermittlung von Materialeigenschaften von Faserverbunden wird dadurch in ein geschlossenes analytisch-synthetisches Verfahren überführt, bei dem alle Eingangsparameter durch genormte Prüfungen ermittelbar sind. Die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften erfolgt auf Basis dieses Verfahrens in einem generischen Materialmodell, welches vollständig phänomenologisch basiert ist. Einen wesentlichen Schritt bei der Umsetzung dieses Ansatzes stellt die Entwicklung einer Methode dar, welche eine analytische Berechnung der in-situ-Eigenschaften der Polymermatrix ermöglicht. Als in-situ-Eigenschaften der Matrix werden dabei jene mechanischen Eigenschaften bezeichnet, die am reinen Polymer nicht messbar sind und infolge der Querkontraktionsbehinderung der polymeren Matrix durch die in sie eingebetteten Fasern entstehen. Messtechnische Grundlage dieser Vorgehensweise sind mechanische Prüfungen an unterschiedlichen Glasfasergelegeverbunden, die nach gültigen Normen durchgeführt wurden. Das so ermittelte Materialmodell kommt bei der Modellierung und Dimensionierung der Struktur von Rotorblättern für Windenergieanlagen zum Einsatz. Daher wurden zur Prüfung Normen verwendet, welche durch die bei der Zertifizierung dieser Rotorblätter zugrunde gelegten Richtlinie vorgeschrieben werden. Das entwickelte Verfahren der EILT führt auf hohe Genauigkeit bei der Modellierung von Glasfaserverbunden mit Polymermatrix und ist im Gegensatz zur ILT nur auf Eingangsparameter angewiesen, die Ergebnisse normgerechter Prüfungen sind.

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 Alexander Krimmer

Alexander Krimmer
Fachgebiet Luftfahrzeug- und Leichtbau
Technische Universität Berlin

Informationen

Freie Schlagwörter: Faserverbund, Materialmodell, Mikromechanik, Mischungsregel, in-situ
Institut / Lehrstuhl: Fachgebiet Luftfahrzeug- und Leichtbau der Technischen Universität Berlin
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Thorbeck (Betreuer), Dr.-Ing. Volker Trappe
Erscheinungsjahr: 2013
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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