2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16177Gegenstand des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der auf unterschiedlichen Skalen ablaufenden Schädigung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen bei Schwingbeanspruchung mit Lastrichtungsumkehr. Ziel des Vorhabens ist die physikalisch basierte Verallgemeinerung vorhandener Schädigungsevolutionsmodelle für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als essentieller Bestandteil der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens von faserverstärkten Bauteilen.Aufgrund des mehrskalig inhomogenen Aufbaus des Werkstoffs wird ein kombinierter numerisch/experimenteller sowie skalenübergreifender Ansatz zur Untersuchung der Schädigung gewählt. Die Art und Ausprägung von Schädigung bei zyklischer Belastung wird, unabhängig von der betrachteten Skalenebene, vor allem von der aufgeprägten Mittelspannung und Amplitude und damit von dem Vorzeichen und der Orientierung des variierenden Lastvektors bezüglich der Faserrichtung bestimmt. Als besondere Herausforderungen bei der realistischen Modellierung des Schädigungsverhaltens von mehrschichtigen Verbundwerkstoffen wurden die gegenwärtig nur unzureichend verstandenen Phänomene der Zug-Druck-Asymmetrie von Steifigkeit und Festigkeit, der Interaktion zug- und druckinduzierter Schädigung (passive Schädigung) sowie die realistische Berücksichtigung zuginduzierter Delaminationen bei nachfolgenden Druckbelastungen identifiziert. Im Forschungsvorhaben werden hierzu die Schädigungsphänomene und das Degradationsverhalten auf der Filamentebene (Mikroebene) sowie auf der Schichtebene (Meso-Makro-Ebene) mit Hilfe von zyklischen Versuchen an mikroskopischen Modellverbunden, Einzelschichten und Laminaten unter Einsatz vor allem der optischen Spannungsanalyse und der in-situ-Computertomografie eingehend analysiert. Mit Hilfe weiterführender numerischer Analysen auf Mikroebene werden physikalisch begründete mathematische Formulierungen für das veränderliche Spannungs-Verzerrungs-Verhalten bei zyklischer Belastung mit Lastrichtungsumkehr formuliert. Die erarbeiteten mathematischen Ansätze werden in das bereits für schwellende Ermüdungsbelastung bewährte FE-basierte Ermüdungs-Schädigungs-Modell des Instituts für Statik und Dynamik (ISD) implementiert. Damit wird es möglich, die derzeitige Beschränkung der bekannten Modellansätze auf zumeist einstufige und schwellende Beanspruchungen zu überwinden und einen wesentlichen Entwicklungsschritt zu einer realistischen Lebensdaueranalyse von FKV bei Betriebsbeanspruchung zu leisten.The project in application focusses the analysis of multi-scale damage of endless fibre reinforced composites under reversed cyclic loading. The aim of the project is the physically based generalisation of existing damage models for fibre reinforced composites as an essential part of the fatigue life prediction of composites structures. Due to the inhomogeneous structure of fibre composites on different scales a combined numerical/experimental and multiscale mathematical approach for the investigation of damage has been chosen. The type and quantity of damage due to cyclic loading is defined by the orientation and sign of the load vector in relation to the fibre direction. Specific challenges for realistic modelling of damage and degradation under reversed loading have been identified in the not well understood phenomena of tension-compression-asymmetry in stiffness and strength, the interaction of tension and compression induced damage (passive damage) and the specific influence of tension induced delaminations to subsequent compression loads.For that reason the damage phenomena, the degradation behaviour on filament level (micro level) and on layer level (meso level) are analysed with the help of microscopic and macroscopic cyclic tests accompanied by in-situ computer tomography and photoelastic stress analysis. From additional numerical analyses on micro level, physically based mathematical formulations for the varying stress-strain behaviour under cyclic loading with different stress ratios are formulated. The mathematical approaches developed are subsequently implemented in the FE-based Fatigue-Damage-Model of the Institut für Statik und Dynamik (ISD), for which first validations for pulsating cyclic loads have already been carried out.Thus the present limitation of the known fatigue analysis models to constant amplitude pulsating loads may be overcome and a significant step towards a realistic life time assessment of fibre reinforced materials under spectrum loading is taken.