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Zur Vorhersage des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens kurzfaserverstärkter Verbundwerkstoffe mittels der Methode der Finiten Elemente

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Modelle auf Basis der Finite Elemente-Methode (FEM) entwickelt, die zusammen eine Vorhersage des nichtlinearen Spannungs Dehnungs und des Versagensverhaltens kurzfaserverstärkter Polymerverbunde mit sehr hoher Faserorientierung ermöglichen. Dabei können Faserlänge und Durchmesser, Faservolumengehalt sowie die Materialkennwerte von Faser und Matrix frei gewählt werden. Ferner kann eine Materialschicht zwischen Faser und Matrix mit beliebiger Dicke und Materialeigenschaften berücksichtigt werden. Solche Zwischenphasen stellen sich bei vielen Verbundsystemen fertigungsbedingt ein, können aber auch bewusst eingebracht werden, um gezielt Verbundeigenschaften einzustellen.

Diese Arbeit liefert somit ein Werkzeug zur Optimierung des Eigenschaftsspektrums für den Werkstoff 'kurzfaserverstärkter Polymerverbund'. Von besonderem praktischen Interesse ist dabei die Optimierung einer Verbundeigenschaft wie beispielsweise der Zähigkeit durch Variation der Zwischenschichtsteifigkeit und dicke. Gleichzeitig ergeben sich die Konsequenzen für andere Eigenschaften wie beispielsweise die Verbundsteifigkeit oder die Bruchdehnung.

Dreidimensionales (3D) Modell:
Hier ist eine realitätsnahe räumliche Anordnung von Fasern sowie ein Kraftschluß von Faser, Zwischenschicht (sofern diese existiert) und Matrix über die Faserseite, nicht aber über die Stirnfläche der Faser realisiert. Dieses Modell ermöglicht die Berechnung des nicht linearen Spannungs Dehnungs Verhaltensdes Verbundes. Die berechneten mikroskopischen Spanungsverteilungen geben ferner einen vertiefenden Einblick in die Lastübertragungsmechanismen.

Zweidimensionales (2D) Modell:
Dieses Modell wurde als rotationssymmetrisches FE Modell mit nichttrivialen Randbedingungen aus dem 3D-Modell abgeleitet, um eine für mikromechanische Versagensanalysen verbesserte räumliche Spannungsberechnung zu ermöglichen. Auf Basis des G Konzeptes der kritischen Energiefreisetzungsrate wird ein praktisch anwendbares Versagensmodell entwickelt.

Zum Vergleich der Modellvorhersagen mit der Realität wurden Experimente durchgeführt oder bekannte Messungen herangezogen.

Es ergibt sich insbesondere folgendes praktisches Ergebnis: Die zum Verbundversagen benötigte Energie steigt durch die Applikation einer Faserbeschichtung, welche einen E Modul kleiner als den der Matrixhaben muss.

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 Kay Michael Brockmüller

Kay Michael Brockmüller
Institut für Verbundwerkstoffe
Universität Kaiserslautern

Informationen

Freie Schlagwörter: Finite-Elemente-Methode, FEM, Kurzfaserverstärkung, Thermoplast, Polymer, Composites, Simulation, Versagen, Spannungs-Dehnungs-Kurve, Kraft-Verlängerungs-Kurve, Faserlänge, Faserorientierung, Steifigkeit, Versagen, Zähigkeit, Zwischenschicht
Institut / Lehrstuhl: Fachbereich Maschinenwesen der Universität Kaiserslautern
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. K. Friedrich (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. M. Maier
Erscheinungsjahr: 1992
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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