Steifigkeit, Festigkeit und Schadenstoleranz von Faserverbundbauteilen lassen sich mit Hilfe komplexer Berechnungen genau analysieren. Oft dominieren Berechnungsansätze für dünnwandige Strukturen auf Basis der Laminattheorie und semi-empirische Auslegungstools für eine Vielzahl spezieller Problemstellungen. Festigkeitsbestimmend sind insbesondere die Bauteilbereiche mit Lasteinleitungen, Bohrungen oder Versteifungen, an denen starke Belastungskonzentrationen und mehrachsige Spannungszustände auftreten. Hier beginnt das Versagen des Bauteils mit dem Entstehen kleinster Risse bis hin zur kritischen Schadensakkumulation. Wenn man die Schädigungsentwicklung und ihre mikrostrukturellen Ursachen im Detail versteht, kann man den Werkstoff sicher bis an seine Grenzen belasten. In vielen praktischen Fällen kann die Tragfähigkeit des Materials durch ein gezieltes Mikrostrukturdesign noch signifikant erhöht werden. Neuartige Werkstoff- und Bauteilmodelle erfassen die mikrostrukturelle Schädigung direkt in Form von diskreten Mikro- und Mesorissen innerhalb von unidirektionalen Faserlagen oder als winzige Delaminationen zwischen unterschiedlich orientierten Lagen. Nur so können die mechanischen Wechselwirkungen zwischen der heterogenen Werkstoffstruktur und den sich ausbildenden Risssystemen in ihrer Komplexität exakt erfasst und im Detail beeinflusst werden.

CFK-Schaum-Sandwichstrukturen weisen sehr hohe gewichtsspezifische Membran- und Biegesteifigkeiten und -festigkeiten auf. Die Verwendung geschlossenenzelliger polymerer Hartschäume als Kernmaterial ermöglicht die kostengünstige Herstellung großer komplexer Bauteile mittels Vakuuminfusionstechnologie. Diese Sandwichstrukturen eignen sich deshalb zur Umsetzung einer integralen Schalenbauweise und signifikanten Kostenreduktion gegenüber differentiell versteiften Strukturen. Für die Verwendung solcher Materialien in Luftfahrtzeugprimärstrukturen müssen zahlreiche Last- und Schadensfälle berücksichtigt werden, bei denen die Struktur nicht versagen darf. Am Fraunhofer IWM wird experimentell und numerisch untersucht, wie sich insbesondere der Schaum und die Grenzschicht Deckschicht-Kern unter Einwirkung von Temperatur- und Schlagbelastungen verhalten und wie sich eingetretene Schäden ausbreiten. Die so bestimmten Materialparameter fließen in FEM-Simulationen ein, mit denen das Bauteilverhalten unter quasistatischen und zyklischen Beanspruchungen vorhergesagt werden kann.

Untersuchung des Versagensverhaltens von CFK-Schaumsandwichstrukturen. (PDF)

Strukturverhalten von CFK-Schaumsandwichbauteilen unter Temperatureinwirkung. (PDF)

CFK-Schaum-Sandwichstrukturen im thermomechanischen Härtetest. (PDF)

Die Bewertung von interlaminaren Rissen in faserverstärkten Bauteilen für Luft- und Raumfahrtanwendungen basiert auf etablierten Methoden, wie zum Beispiel der Virtual Crack Closure Technique. Die Bestimmung der dafür benötigten bruchmechanischen Materialkennwerte erfolgt in der Regel durch Versuche, die lediglich für unidirektional verstärkte Faserverbunde genormt sind, wie zum Beispiel der Double Cantilever Beam Test, der End Notched Flexure Test oder der Mixed Mode Bending Test. Am Fraunhofer IWM werden Methoden entwickelt, um diese Versuche zur Anwendung auch auf multidirektional verstärkte gelegte und gewebte Laminate zu erweitern. Eine wesentliche Grundlage für Absicherung der Ergebnisse sind Finite Elemente Simulationen in Korrelation mit den Experimenten.

Bestimmung von Werkstoffkennwerten zur Delaminationsbewertung von Faserverbundkunststoffen. (PDF)

Der zunehmende Einsatz geschlossenzelliger polymerer Hartschaumstoffe für Sandwichstrukturen in festigkeitsrelevanten Bauteilen erfordert eine detaillierte Kenntnis des werkstoffmechanischen Verhaltens dieser Schäume. Dieses wird wesentlich durch die mesoskopische Struktur der Zellwände, -stege und -knotenpunkte beeinflusst. Am Fraunhofer IWM werden mittels Röntgen-Computertomographie und 3D-Bildanalyse morphologische Parameter der Schaumstruktur extrahiert und für die Erstellung eines geometrischen Modells der Schaumstruktur bereitgestellt. Die numerische Analyse des generierten repräsentativen Volumenelements (RVE) mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode unter Einbeziehung der relevanten mesomechanischen Mechanismen liefert Erkenntnisse über das komplexe Verformungs- und Versagensverhalten der Schaumstruktur. Aus der Simulation der Progression lokaler Schädigungen innerhalb des RVE können Festigkeitsvorhersagen für den Schaumstoff abgeleitet werden. Die Modellierung überlagerter Effekte, beispielsweise durch Temperatureigenspannungen spielt für die Vorhersagegenauigkeit eine erhebliche Rolle.

Mesostruktur-Eigenschafts-Korrelation bei Polymerhartschaumstoffen. (PDF)