Prüfverfahren zur Ermittlung exakter Werkstoffkennwerte einer unidirektionalen Schicht unter besonderer Berücksichtigung physikalischer Nichtlinearitäten

Das Einsatzgebiet für Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) wird zunehmend auf sicherheitsrelevante Strukturbauteile erweitert. Hierdurch werden neue Anforderungen an die Genauigkeit der Eingangsgrößen des Material- und Versagensmodells gestellt. Zur Beschreibung des Materialverhaltens einer transversal isotropen UD-Schicht aus FKV werden Grundelastizitätsgrößen und Basisfestigkeiten benötigt, welche meist in genormten Prüfverfahren bestimmt werden. Ein Vergleich der, in den unterschiedlichen Prüfverfahren, experimentell ermittelten Spannungs-Verzerrungs-Verhalten untereinander und mit dem wahren Werkstoffverhalten steht bislang aus. Die vorliegende Arbeit untersucht die gängigsten Prüfverfahren numerisch und experimentell auf ihre Eignung zur Ermittlung der wahren Spannungs-Verzerrungs-Verhalten. Die numerische Untersuchung wird mithilfe des Finite-Elemente-Programms Abaqus durchgeführt. Zur Implementierung des nichtlinearen, orthotropen Materialverhaltens der UD-Schicht, wird die Subroutine User Material (UMAT) mit dem nichtlinearen Materialmodell von Puck programmiert. Dieses Materialmodell berücksichtigt erstmals die charakteristische s2-t21-Interaktion der Faser-Kunststoff-Verbunde. Die experimentelle Untersuchung der Prüfverfahren betrachtet darüber hinaus detailliert den physikalischen Größeneffekt und die Abhängigkeit der nichtlinearen Spannungs- Verzerrungsverhalten vom relativen Faservolumenanteil. Die Querzugbeanspruchung einer UD-Schicht wird mittels Finite-Elemente-Rechnungen an statistisch verteilten Faserpackungen untersucht. Dieses Vorgehen ermöglicht einen detaillierten Einblick in die Lastleitungsmechanismen von Faser zu Faser bei einer Querzugbeanspruchung. Es wird deutlich, dass das einfache Modell der Reihenschaltung von Federn nur bedingt gültig ist. Aus den FE-Rechnungen statistisch verteilter Faserpackungen werden Regressionsgleichungen mit einem weiten Definitionsbereich für den Querund Schubmodul erstellt. Des Weiteren wird eine mathematische Korrektur vorgestellt, die eine Glühverlustbestimmung zur Ermittlung des relativen Faservolumenanteils an Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden ermöglicht. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist mit der Genauigkeit der chemischen Lösungsextraktion vergleichbar.