Modeling fatigue damage in composite laminates

Titel in Übersetzung: Modellierung der Schädigung durch Ermüdungsbelastung in Schichtverbunden

Matthias Drvoderic

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die kontinuierliche Entwicklung von Verbundwerkstoffen wurde von deren Möglichkeit leichte aber dennoch starke und haltbare Bauteile zu konstruieren vorangetrieben. Heutzutage werden Bauteile aus Hochleistungsverbundwerkstoffen in einer Vielzahl von Anwendungen, vor allem in Flugzeugen, Windkraftanlagen, Kraftfahrzeugen und Sportgeräten, eingesetzt. Um deren Sicherheit zu gewährleisten ist ein grundlegendes Verständnis des Ermüdungsverhaltens von Verbundwerkstoffen unerlässlich. Dennoch gibt es bisher kein universelles progressives Schädigungsmodell für die Ermüdung von Schichtverbunden, obwohl in den letzten Jahrzehnten kontinuierliche Entwicklungen in diesem Bereich stattgefunden haben. Dies spiegelt die Schwierigkeit wider, ein solches Modell für Laminate aus Verbundwerkstoffen zu entwickeln, da Effekte auf unterschiedlichen Längenskalen die Entwicklung von verschiedenen Schädigungsmechanismen beeinflussen. Anisotropes Materialverhalten, mehrere Schädigungsarten und komplexe Wechselwirkungen haben sich als erhebliche Hindernisse bei der Entwicklung eines universellen Ermüdungsmodells erwiesen. Viele der vorgeschlagenen Modelle weisen kritische Einschränkungen auf, wenn es um ihre Anwendbarkeit auf reale Komponenten geht und verhindert somit deren Verbreitung und Einsetzbarkeit als technische Werkzeuge. Da im Vergleich zu statischen Belastungen zahlreiche zusätzliche Effekte durch wechselnde Belastungen auftreten erfordern Ermüdungsmodelle im Allgemeinen mehr experimentelle Daten zur Kalibrierung. In dieser Arbeit wird daher ein eher ingenieurmäßiger Ansatz im Hinblick auf physikalische Schädigungsphänomene für die Entwicklung eines lagenbasierten Modells für die Effekte von Schädigung durch Ermüdungsbelastung aufgrund von Matrixrissen gewählt. Diese Arbeit markiert den Beginn der Entwicklung des Ermüdungsmodells mit dem Ziel, ein Werkzeug zu schaffen das effizient und einfach zu verwendenden ist. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Anwendbarkeit des Modells und der Möglichkeit, das Modell mit Standardversuchen zu kalibrieren. Das Modell baut auf dem statischen lagenbasierten Schädigungsmodell von Schuecker et al. auf. Es wird ein Multiskalenansatz zur Berechnung der Auswirkungen von Matrixrissen auf die Steifigkeit eines Laminats verwendet. Für die Spannungsanalyse eines gegebenen Laminats wird die klassische Laminattheorie genutzt. Die Auswirkungen von Matrixschäden werden mit einer analytischen mikromechanischen Methode, dem Mori-Tanaka-Modell, berechnet. Für die Entwicklung eines solchen Modells sind Informationen über den Schädigungszustand während Materialtests unerlässlich. Zu diesem Zweck wird zusätzlich ein Framework für die Risserkennung vorgestellt. Dies ermöglicht eine effiziente Quantifizierung des Schädigungszustands bei Ermüdungsversuchen. Weiters werden Korrelation mit anderen Messgrößen und die Auswirkungen verschiedener Spannungszustände auf die Entstehung und Entwicklung von Matrixrissen eingehend untersucht.
Titel in ÜbersetzungModellierung der Schädigung durch Ermüdungsbelastung in Schichtverbunden
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pinter, Gerald, Beurteiler A (intern)
  • Brand, Clemens, Mitbetreuer (intern)
  • Schuecker, Clara, Betreuer (intern)
  • Pettermann, Heinz, Beurteiler B (extern), Externe Person
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Verbundwerkstoffe
  • Matrixrisse
  • Risserkennung
  • anisotropes Ermüdungsverhalten
  • Schädigungsmodellierung
  • Ermüdungsmodell

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