Fracture Behavior of Laminates in Mixed-Mode Delamination Resistance Testing

Ziel dieser Studie ist es, die Ursachen für die Streuung der Messergebnisse zur Delaminationsbeständigkeit von Faserverbundlaminaten zu untersuchen. Diese Ergebnisse wurden zuvor am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Prüfung der Kunststoffe der Montanuniversität Leoben ermittelt. Dabei steht der Einfluss verschiedener Auswertungsmethoden und der damit verbundenen Annahmen im Fokus. Mithilfe etablierter bruchmechanischer Methoden wird das Bruchverhalten bei Modus I, Modus II und Mischmodus-Belastung analysiert. Zu diesem Zweck wurden fünf dreidimensionale Finite-Elemente-Modelle entwickelt, die das Rissverhalten vorhersagen und mit experimentellen Ergebnissen validiert werden sollen. Diese Modelle berücksichtigen geometrisch nichtlineare Effekte und nutzen die Virtual-Crack-Closure-Technique (VCCT), um die kritische Energiefreisetzungsrate zu berechnen und Übergänge zwischen den Bruchmodi entlang der Rissfront bei verschiedenen Modus-Mischungsverhältnissen zu untersuchen.
Es wird die Delaminationsbeständigkeit von Laminaten mit identischer Epoxidmatrix, aber unterschiedlichen Faserarten – Glasfaser (GF) und Kohlefaser (CF) – untersucht. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den Unterschieden im Bruchverhalten, die sich aus der Wahl der Faserart ergeben. Ziel ist es, die Auswirkungen auf die bruchmechanischen Eigenschaften zu verstehen. Zudem werden Abweichungen zwischen experimentellen Daten und verschiedenen Auswertemethoden analysiert, die auf Messungenauigkeiten oder methodische Unterschiede zurückzuführen sein können.
Die Arbeit liefert ein tieferes Verständnis des Bruchverhaltens von Faserverbundlaminaten, verbessert die Zuverlässigkeit der Auswertemethoden und ermöglicht damit genauere Vorhersagen bruchmechanischer Eigenschaften. Die kombinierten experimentellen und VCCT-basierten Simulationen zeigen, dass GFK empfindlicher auf antiklastische Krümmung reagiert als CFK. Die Auswertemethode nach der einfachen Balkentheorie (SBT), die keine zusätzlichen Korrekturfaktoren berücksichtigt, stimmt am besten mit den FEM-Vorhersagen überein. Die simulierte Kraft-Verformungs-Antwort der CFK-Proben war in allen Bruchmodi durchgehend steifer als die experimentellen Ergebnisse. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Risslängen aufgrund schlecht sichtbarer Vorbrüche unterschätzt wurden. Trotz der präzisen Modellierung führte dies zu einer geringeren berechneten Energiefreisetzungsrate.