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.

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Bei einer bruchmechanischen Bewertung werden im Gegensatz zur klassischen Festigkeitsberechnung Fehler im Bauteil unterstellt. Solche Fehler können durch die Herstellung (Gießen, Schweißen) oder durch den Betrieb (Ermüdung) bedingt sein. Sie können auch im Sinne einer fehlertoleranten Auslegung auf Basis der Nachweisgrenze einer zerstörungsfreien Prüfung postuliert werden. Bruchmechanische Bewertungskonzepte werden ständig weiterentwickelt und sind mittlerweile Bestandteil internationaler sowie internationaler Richtlinien (SINTAP, FITNET, FKM-Richtlinie). Eine breite Anwendung dieser Konzepte in der Technik wird im Wesentlichen durch vorhandene bruchmechanische Lösungsansätze sowie Rechenprogramme ermöglicht und unterstützt. Vor diesem Hintergrund werden am Fraunhofer IWM fortgeschrittene analytische Lösungen für Rissprobleme sowie Berechnungstools entwickelt und in Lizenz den Anwendern aus Forschung und Industrie zur Verfügung gestellt. Das Fehlerbewertungsprogramm VERB wird insbesondere in Bereichen der Energietechnik, Anlagenbau und Raumfahrt eingesetzt. Weitere Programme – FracSafe sowie ERWIN – wurden in Zusammenarbeit mit Vertretern des VDMA beziehungsweise der Bahnindustrie entwickelt und auf die Lösung spezifischer Fragestellungen angepasst.

Fehlerbewertungsprogramm IWM VERB 8.0 

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Die Voraussetzungen für eine zuverlässige und realisierbare Beschreibung des Versagens von Punktschweiß- und Laserstrahlverbindungen in Crashsimulationen sind die Bereitstellung von speziellen Elementen, sogenannten Ersatzmodellen und die Ermittlung von Eingangsdaten für diese Ersatzmodelle. Für Punktschweißverbindungen wurden im IWM ein einfaches, effizientes Ersatzmodell und ein Verfahren zur Bestimmung der Versagensparameter entwickelt. Zur Modellierung von Klebverbindungen wurde ein druckabhängiges, viskoplastisches Materialmodell mit Versagensmodellierung nach Johnson-Cook implementiert, dessen Parameter durch Substanz- und Verbindungsproben bestimmt und für die Ersatzmodellierung kalibriert wurden. Verifiziert wurden die Modelle durch Simulation von Versuchen an punktgeschweißten und geklebten bauteilähnlichen Proben. Parallel zu Ersatzmodellierung des Versagens von Schweißpunkten wurde ein Detailmodell auf Basis eines Schädigungsmodells entwickelt.

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