VL 9: Betriebsfestigkeit von FKV Effekte und Nennspannungskonzept

Question 1

Festigkeit und Einflussfaktoren

Answer 1

• Halbzeugeinfluss: Matrix-Eigenschaften, Art des Halbzeuges, Faser-Eigenschaften
• Betriebslasten: mech. Beanspruchung, klimatische Beanspruchung, Medieneinfluss
• Zusatzeinflüsse: Faservolumengehalt, Schlichte/Interface, Fertigungsqualität

Question 2

Interlaminare Beanspruchung (σ_z =! 0)

Answer 2

Freier-Rand-Effekt / Querkraftschub
- Effekt: Schichtendelamination unter statischer und schwingender Beanspruchung
- ZfP: Ultraschall
- Theorie: bruchmechanische Beschreibung – Energie-Freisetzungs-Rate (EFR)

Question 3

Intralaminare Beanspruchung (σ_z ~ 0)

Answer 3

ebene Beanspruchung - z.B. Zug, Druck, Torsion der Rohrprobe
➢ Effekt: Mikrorissbildung – Faser-Matrix-Ablösung u. Reinharzrisse
➢ ZfP: Ultraschall, Röntgenrefraktionstopographie
➢ Theorie: kontinuumsmechanische Beschreibung – „verschmieren der Risse“

• bei GFK: äußert sich als Mikrorissbildung

Question 4

Randeffekt - Flachprobe (+/-45°-CFK-Flachprobe)

Answer 4

➢ effektive Normalspannung fällt am Rand auf 70%
➢ intralaminare Schubspannung fällt am Rand auf 0
➢ keine interlaminaren Spannungen am Rand
➢ einachsige intralaminare Ermüdung im Schwingversuch

Question 5

Kein Randeffekt - Rohrprobe (+/-45°-CFK-Rohrprobe)

Answer 5

➢ einachsige Belastung – dreiachsiger Spannungszustand
➢ effektive Normalspannung ändert sich um 13%
➢ intralaminare Schubspannung ändert sich gleichfalls
➢ σ_z &laquo_space;σ_x – interlaminare Spannungen vernachlässigbar
➢ konstante Spannungsverteilung über dem Umfang – kein Randeffekt

Question 6

Randeffekt – Vergleich Schädigung Rohr-Flachprobe

Answer 6

➢ Flachprobe – geordnete Zunahme an innere Oberflächen verstärkt in der Probenmitte
➢ Rohrprobe – statistisch verteilte Zunahme an inneren Oberflächen
➢ Schwingfestigkeit der Flachp. infolge der Spannungsüberhöhung nur 1/10 der Rohrp.

Question 7

Experiment - Schadensakkumulation

Answer 7

• Betriebsfestigkeitsvorhersage nach Schadensakkumulationshypothese im Nennspannungskonzept - Vergleich Einstufen- mit Kollektiv Beanspruchung
• Mandell berücksichtigt Knock Down Faktoren für Klima-, Schäftungs-, Halbzeugeinfluss…

Question 8

Betriebsfestigkeit nach GL-Wind

Answer 8

Ansatz: statische Festigkeitskennwerte, Abminderungsfaktoren und Wöhlersteigung
als Eingangsgröße für lin. Schadensakkumulationsrechnung

Question 9

Reihenfolgeeffekt FKV +/-45 Laminat

Answer 9

• Deutlicher Reihenfolgeeinfluß
• Gemischtes Lastkollektiv bestätigt Schadensakkumulationshypothese
• Schadens und Grauwertparameter korrelieren
• Charakteristischer Anstieg des Schadens und Grauwertparameters

Question 10

Zusammenfassung

Answer 10

• Die Betriebsfestigkeit des Verbundes wird durch die mikromechanischen Eigenschaften im Faser Matrix Interface, die Fertigungsqualität / lokale Faseranordnung und die bruchmechanischen Eigenschaften der Matrix bestimmt
• Eine effiziente Prüfung von FVW umfasst somit insbesondere:
  
  1. Zwischenfaserbruchfestigkeit statisch u. schwingend
  2. Einfluss von Temperatur und Feuchte
  3. Druckfestigkeit von FVW und/oder Restfestigkeit nach Impact
• Die Betriebsfestigkeit kann (je nach Bauvorschrift) an repräsentativen Komponenten (Stellvertreterversuchen) effizient nachgewiesen werden. Dies ersetzt nicht den statischen Belastungsversuch am Originalbauteil.
• Die Betriebsfestigkeit von Klebungen ist gesondert zu betrachten.
• Ganz allgemein ist bei FVW / Strukturklebern eine hohe statische Festigkeit keine Gewähr für gute Schwingfestigkeitseigenschaften. Es ist effizient, Halbzeuge diesbezüglich mit geeigneten Proben in Vergleichsversuchen zu charakterisieren.
  Eine hinreichend genaue rechnerische Vorhersage ist noch Gegenstand aktueller Forschung.