Mehrskalige Betrachtung des Ermüdungsverhaltens thermisch zyklierter Faserkunststoffverbunde

Abstract

In dieser Arbeit wird das Ermüdungsverhalten von CFK unter thermischer zyklischer Belastung im kryogenen Temperaturbereich experimentell und numerisch untersucht. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der Verbundbestandteile induziert eine zyklische thermische Belastung Spannungen auf zwei Materialskalen: (1) auf der Mikroskala (Faser-Matrix-Ebene) und (2) auf der Makroskala (unidirektionale Einzellage in einem multidirektionalen Laminat). Insbesondere die thermisch induzierten Spannungen auf Mikroebene (Mikro-Effekt) werden in bisherigen experimentellen und numerischen Untersuchungen zumeist vernachlässigt. Zur separaten Untersuchung beider Effekte werden Temperaturwechseltests an unidirektionalen Laminaten und an Kreuzverbunden durchgeführt und damit die Schädigungsarten und die resultierende Materialdegradation systematisch erforscht. Für die modellhafte Beschreibung der mehrskaligen progressiven Ermüdungsphänomene werden ein mikromechanischer und ein makromechanischer Modellierungsansatz abgeleitet. Auf beiden Ebenen berücksichtigen die Modelle die für Faserverbunde relevanten Effekte graduelle Materialdegradation, Lastumlagerung und Mittelspannungseinfluss. Die Vorhersagequalität der Modelle wird für mechanische Lastfälle bei Raum- und bei Tieftemperatur überprüft. Anhand mikromechanischer Ermü- dungssimulationen für mechanische und thermische Lasten werden die experimentell beobachteten Unterschiede in den Rissbildern für beide Lastarten erklärt. Aus den Erkenntnissen dieser mikromechanischen Simulationen wird ein Ansatz abgeleitet, der die Berücksichtigung der bisher vernachlässigten, auf Mikroebene induzierten Spannungen in einer makroskopischen Ermüdungsberechnung erlaubt.