Zur Spannungs- und Festigkeitsanalyse von unidirektionalen Faserverbundkunststoffen

Die vorliegende Abhandlung befaßt sich mit der Spannungs- und Festigkeitsanalyse der sog. Hochleistungs- und Faserverbundkunststoffe, die in der Modellierung als Schichtenverbund aus unidirektional faserverstärkten Schichten aufgefaßt werden können. Bei den Werkzeugen zur Dimensionierung derartiger unidirektionaler Schichtverbunde sind im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen noch vergleichsweise viele Lücken zu schließen. Mit dieser Arbeit soll hierzu ein Beitrag geliefert werden. Unter Quer-Druck- und Schubbelastungen zeigen unidirektional verstärkte Laminate nichtlineare Spannungs/Verzerrungs-Verläufe. Aufbauend auf der klassischen Laminattheorie wird daher zunächst ein Programm entwickelt, das eine Integration von experimentell ermittelten Kennwertverläufen in den rechnergestützten FE-Auslegungsprozeß erlaubt. In der Vergangenheit sind unzählige Festigkeitskriterien für unidirektionale Schichten entwickelt worden, von denen sich jedoch nur solche als geeignet erwiesen haben, die zumindest die grundsätzlich verschiedenen Versagensformen Faserbruch (Fb) und Zwischenfaserbruch (Zfb) unterscheiden. In der vorliegenden Arbeit werden intensiv die wirkebenebezogenen Ansätze von Puck diskutiert, die eine realistische Vorhersage des Zfb-Geschehens – auch unter räumlichen Spannungszuständen – ermöglichen. Mittels speziell entwickelter Versuchstechniken wird eine Überprüfung der Voraussagen dieser Kriterien bezüglich Bruchwinkel und -spannungen an charakteristischen Stellen des Bruchkörpers durchgeführt. Für den Anwender ist es nahezu unmöglich zu durchschauen, in welcher Weise sich die enorme Anzahl der in den letzten Jahrzehnten entwickelten Bruchkriterien gegeneinander abgrenzen. Abschließend wir daher eine Visualisierungstechnik für die vermeintlich fünfdimensionalen Bruchkörper vorgestellt und eine Einordnung der bisher am höchsten entwickelten “Global”- und “Bruchtyp”-Festigkeitskriterien anhand typischer Merkmale vollzogen.