Experimentelle und numerische Untersuchung ermüdungsinduzierter Mikroschädigung in transversal belasteten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen

Die Beantwortung der Frage, ob für endlosfaserverstärkte Kunststoffe eine Grenze existiert, unterhalb derer kein progressives Schädigungsverhalten stattfindet, erfordert ein fundamentales Verständnis der Prozesse, die im Werkstoff unter einer Ermüdungsbelastung stattfinden. Mithilfe experimenteller und numerischer Untersuchungen auf unterschiedlichen Modellierungsskalen wird ein Modell für diese Prozesse in der vorliegenden Arbeit ausgearbeitet. Eine Ermüdungsbelastung führt zu einer Änderung des mikromechanischen Spannungszustandes im Material durch zwei fundamentale Effekte: Erstens einer Änderung der mechanischen Eigenschaften der Matrix durch Visko-elastizität und Schädigung der Matrix auf molekularer Ebene. Zweitens durch das Auftreten von Rissen in der Größenordnung der Filamente – sogenannte Mikroschädigungen. Als Grundlage für die Mikroschädigungsentwicklung unter Ermüdungsbelastung wird das Mikroschädigungsverhalten unter quasi-statischer Belastung bestimmt. Auf dieser Basis wird das Mikroschädigungsverhalten unter schwellender transversaler Ermüdungsbeanspruchung mithilfe experimenteller und numerischer Methoden analysiert. Zur experimentellen Quantifizierung der Ermüdungsschädigungsevolution wird die Schallemissionsanalyse eingesetzt und die Interaktion der Vorbelastung mit den Festigkeitsgrenzen untersucht. Numerisch wird der Effekt des Mittelspannungskriechens mithilfe eines repräsentativen Volumenelements analysiert. Auf Basis Erkenntnisse aus den experimentellen und numerischen Untersuchungen wird ein energiebasiertes Modell zur Lebensdauerberechnung unter schwellender transversaler Belastung erarbeitet.