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Report (Bericht) zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:92-opus-615
URL: http://www.opus-bayern.de/ohm-hochschule/volltexte/2010/61/


Experimentelle Untersuchungen von Spannungen und Festigkeitseigenschaften an bauteilnahen CFK-Proben und Abgleich mit numerischen Berechnungsverfahren

Experimental investigation of stresses and strength properties up to CFRP-samples close to component and comparison with numerical analyses

Hornfeck, Rüdiger ; Sandner, Thomas

Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik

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SWD-Schlagwörter: Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff , Faser , Glasfaser , Festigkeit
Freie Schlagwörter (Deutsch): CFK, Faser-Verbund-Werkstoffe, Faser-Kunststoff-Verbund
Freie Schlagwörter (Englisch): Fibre-reinforced plastic, FRP
Institut: Fakultät Maschinenbau und Versorgungstechnik
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften
Dokumentart: Report (Bericht)
Sprache: Deutsch
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 15.01.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Die Untersuchungsergebnisse haben wichtige Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der statischen und dynamischen Festigkeit von CFK-Laminaten, als auch ihrer Anwendung in der Verbindungstechnik geliefert.

Es konnte gezeigt werden, dass die statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften von Laminaten aus den zwei gängigen Herstellverfahren „RTM“ und „Autoklav“ vergleichbar sind.
Die Festlegung der Lasthorizonte und Darstellung der Wöhlerlinien nach der Methode des Restfestigkeitsabfalls hat sich bei den durchgeführten Schwingversuchen als sehr nützlich erwiesen.
Die ermittelten Restfestigkeitskurven liefern wichtige Basisdaten für zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der rechnerischen Lebensdauervorhersage von CFK-Laminaten.

Die Festigkeitseigenschaften von CFK-Bauteilen mit Konstruktionskerben wurden exemplarisch an Flachproben mit Bohrung untersucht und wichtige Erkenntnisse zur Stützwirkung des Laminats im Kerbbereich gewonnen.
Erste FEM-Rechenmodelle zur Degradation der Steifigkeit und Festigkeit im Kerbbereich bestätigen diesen Stützeffekt. Die FEM-Modelle sollen weiterentwickelt und experimentell verifiziert werden.

Die Untersuchung der 1-schnittigen Bolzenverbindung – ein gängiges Verbindungselement in der Faserverbundtechnik – ergab, dass die herkömmlichen, konstruktionsbegleitenden Überschlagsberechnungen des sogenannten Ausnutzungsgrades den tatsächlichen Schädigungsmechanismus nicht genau genug berücksichtigen.
Insbesondere die ungleichmäßige Pressungsverteilung im Kontaktbereich Bolzen-Bohrung führt zu einem ungünstigen Tragverhalten der Verbindung, was bei Nichtberücksichtigung in der Vorabberechnung des Ausnutzungsgrades zu nichtkonservativen Ergebnissen führt.
Die Entwicklung eines aussagekräftigeren, analytischen Berechnungsmodelles wird daher ein nächstes Ziel der Weiterarbeit an dem Projektthema sein.
Die FE-Berechnung der Bolzenverbindung zeigte eine gute qualitative Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen, sofern auf eine sorgfältige Vernetzung im Kontaktbereich Bolzen-Laminat geachtet wird.
Die Vorhersage der ersten Faserbrüche ist mit einem linear-elastischen FE-Modell möglich, der Schädigungsprozess bis zu einer noch tolerierbaren Lochaufweitung bzw. dem Zugbruch erfordert jedoch die Berücksichtigung der schrittweisen Degradation der Festigkeit und Steifigkeit des Laminats.
Auch hier ergibt sich ein wichtiges, praxisrelevantes Feld für zukünftige Forschungsaktivitäten.

Schließlich zeigten die Versuche ein erhebliches Kriechen der Proben, insbesondere bei höheren Lasten. Das Kriechverhalten hat wiederum seine Ursache in der hohen Druckbelastung auf das Laminat im Bolzenkontakt. Die Tragfähigkeit der ausknickenden Fasern geht örtlich verloren und die überlastete Matrix beginnt zu kriechen. Auch dieser Effekt wird weiter untersucht.

Die Untersuchung der Klebverbindung, einem weiteren, wichtigen Verbindungselement für CFK-Bauteile ergab ein grundsätzlich, befriedigendes Tragverhalten, was die erreichbaren Ausnutzungsgrade betrifft. Allerdings fand das Versagen nicht in der Klebschicht, sondern an
der Harzdeckschicht (debonding) statt, was wahrscheinlich zu einer stärkeren Streuung der
Ausnutzungsgrade beigetragen hat.
Hier ist zu untersuchen, ob sich dieses ungünstige Versagensverhalten durch Änderungen im Herstellprozess der Klebverbindung oder andere Kleber beeinflussen lässt.

Die FE-Berechnung der Klebverbindung ergab eine gute Übereinstimmung mit der analytisch berechneten Schubspannung in der Klebschicht.
Die Verwendung der Spannungsspitzen zur Vorhersage des Ausnutzungsgrades führt allerdings zu sehr konservativen Ergebnissen. Realistischer ist hier nach wie vor die Verwendung einer flächengemittelten Schubspannung incl. Sicherheitsfaktor. Auch hier sind Verbesserungen des analytischen Berechnungsmodells denkbar, die aber nur dann sinnvoll erscheinen, wenn der betrachtete Versagensort tatsächlich dem im Versuch entspricht.
Kurzfassung auf Englisch: The investigation results have delivered important findings in the area of the static and dynamic strength of CFK laminates, as well as her use in the connecting technology.

It could be shown that the static and dynamic strength qualities of laminates from two current manufacturing technologies "RTM" and "autoclave" are comparable.
The definition of the load horizons and the representation of the Wöhler curve in according to the method of the residual strength decrease has turned out with the carried out swinging attempts as very useful.
The ascertained residue strength curves deliver important base data for future works in the area of the computational lifetime prediction of CFK laminates.

The strength qualities of CFK components with construction notches were examined exemplarily with flat test pieces with drilling and important knowledge was won to the supporting effect of the laminate in the area of the notches.
The first FEM arithmetic models to the degradation of stiffness and strength in the area of the notches confirm this supporting effect.
The FEM models should be developed and be verified experimentally.

The investigation of the single-shear bolt connection – a current connecting element in the fiber group technology – proved that the customary, construction-accompanying estimate calculations of the so-called utilisation rate do not consider the actual damage mechanism exactly enough.
In particular the irregular pressure distribution in the contact area of the bolt and the drilling leads to an unfavorable behavior of the connection, what leads by non-consideration in the advance calculation of the utilisation rate to non-conservative results.
Hence, the development of a more expressive, analytic calculation model will be the next aim of the continuation of the project subject.
The finite elements calculation of the bolt connection showed a good qualitative correspondence with the test results, if the interlinking in the contact area of bolt and laminate is down careful.
The prediction of the first fiber breaks is possible with a linear-elastic finite elements model. But the damage process up to a still tolerable hole expansion or a tensile fracture requires the consideration of the gradual degradation of strength and stiffness of the laminate.
This is also an important field with practical relevance for future research activities.

Finally the test pointed out a considerable creeping of the test specimen. The creep characteristic has on the other hand his cause in the high pressure load on the laminate in the bolt contact. The load capacity of the buckled fibers gets lost locally and the overloaded matrix starts to creep. Also this effect is further examined.

The investigation of the adhesive connection, an other important connecting element for CFK components, proved a basic adequate load capacity what concerns the accessible utilisation rates.
Indeed, the failure has not taken place in the adhesive layer, but in the resinous deck layer (debonding), what has probably contributed to a stronger dispersion of the Utilisation rates.
Here is to be examined whether this unfavorable failure behaviour can be affected by changes in the production process of the adhesive connection or other glues.

The finite elements calculation of the adhesive connection proved a good correspondence with the analytically calculated shear stresses in the adhesive layer.
However, the use of the stress peaks to the prediction of the utilisation rate leads to much conservative results. Still the use of an area-averaged shear stress tension inclusive a security factor is more realistically here. Also here improvements of the analytic calculation model are conceivable, which seem sensible only if the considered failure place really corresponds to them of the test.

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