Simulation des Verformungs- und Schädigungsverhaltens thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe mittels parametrischer mehrskaliger Werkstoffmodelle

Abstract

Thermoplastische Faserverbundwerkstoffe finden aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften, in Kombination mit weiteren Vorteilen wie beispielsweise kurzen Fertigungszyklenzeiten, guter Umformbarkeit und Recyclingfähigkeit zunehmend Verwendung in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dabei unterscheidet sich das Verformungs- und Schädigungsverhalten der thermoplastischen Verbundwerkstoffe aufgrund der unterschiedlichen Molekülstrukturen des Matrixsystems und veränderter Herstellungsverfahren stark von dem Verhalten der duroplastischen Äquivalente. Die thermoplastische Matrix verhält sich elastisch-plastisch, und mit zunehmender Dehnung treten duktile Schädigungen auf. Die vorliegenden Werkstoffstrukturen auf mikro- und mesoskopischer Ebene beeinflussen dabei das Schädigungsverhalten maßgeblich. Bei der regelmäßig genutzten Methode der Simulation des Werkstoffverhaltens auf Bauteilebene über Anwendung der klassischen Laminattheorie in Verbindung mit phänomenologischen Schädigungsmodellen wird kein Verständnis der ablaufenden Schädigungsmechanismen gefordert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zunächst die Werkstoffstrukturen eines unidirektional carbonfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffes auf mehreren Skalenebenen unter Nutzung eines numerischen Bildauswertungsverfahrens parametrisch charakterisiert. Dabei wurden erstmalig die vorliegenden Rovingstrukturen auf der mesoskopischen Ebene über statistisch validierte Kennzahlen und Verteilungsfunktionen beschrieben. Anschließend wurden parameterbasierte Skripte zur Modellierung der realen Strukturen auf mikro- und mesoskopischer Ebene erstellt. Die Repräsentativität der Geometriemodelle wurde auf allen Skalenebenen über die Nutzung zuvor ermittelter Kennwerte des realen Werkstoffes als Eingabe- bzw. Vergleichswerte überprüft. Nachfolgend wurden die numerischen Modelle der Mikro- und Mesostrukturen als Ausgangsbasis für die Erstellung dreidimensionaler Repräsentativer Volumen Elemente (RVE) genutzt. Unter Verwendung der RVE konnten die homogenisierten elastischen Eigenschaften auf den betrachteten Skalenebenen und darüber hinaus das inelastische Werkstoffverhalten auf der mikroskopischen Ebene mit der Methode der Finiten Elemente berechnet werden. Die elastischen Eigenschaften konnten auf den betrachteten Skalenebenen erfolgreich homogenisiert und als Ausgangsbasis zur Modellierung höherer Ebenen verwendet werden. Die Bedeutung der Modellierung realer Werkstoffstrukturen mit Inhomogenitäten und Defekten bei elastisch-plastischem Verformungsverhalten und bei Schädigungsverhalten wurde an mehreren ausgewählten Beispielen demonstriert. An dem Beispiel einer getesteten UD-CFK Zugprobe eröffnete sich aus dem Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen eines parametrischen Strukturmodells ein tieferes Verständnis der ablaufenden Schädigungsmechanismen. Der gewählte modulare und parametergesteuerte Ablauf der Routinen zur Modellierung der Strukturen und Generierung der numerischen Modelle ermöglicht eine Anpassung der erstellten Routinen für die Beschreibung anderer inhomogener Werkstoffe.