Beitrag zur Entwicklung punktueller Lasteinleitungen und Verbesserung der Versagensanalyse für Faser- Kunststoff-Verbund-Strukturen unter zyklischer Belastung

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe verfügen über eine hervorragende Leichtbaugüte und weisen unter zyklischer Beanspruchung ein gegenüber metallischen Werkstoffen günstigeres Schwingermüdungsverhalten auf. Aus diesen Gründen erlangen derartige Konstruktionswerkstoffe zunehmend an Bedeutung für maschinenbauliche Anwendungen, bei denen die tragenden Strukturen zeitweise hohe Beschleunigungen erfahren und über die Einsatzdauer oftmals durch sich wiederholende Belastungsfolgen beansprucht werden. Innerhalb des Entwicklungsprozesses solcher Strukturen reicht eine globale strukturmechanische Auslegung meist nicht aus. Vielmehr müssen für das Erzielen einer optimierten und wirtschaftlichen Lösung strukturelle Details, wie insbesondere lokale Lasteinleitungen, sorgfältig betrachtet werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der voraussichtlichen Einsatzdauer (Lebensdauer) der Struktur inklusive der Anbindungspunkte sowohl aus Kostensicht als auch aus Sicherheitsaspekten erforderlich. Für den konstruierenden Ingenieur müssen daher robuste und zuverlässige Lasteinleitungslösungen entwickelt und aussagefähige Berechnungswerkzeuge zur Lebensdauervorhersage von Faser- Kunststoff-Verbunden bereitgestellt werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden für Getriebekomponenten in Kohlenstofffaser- Verbund-Bauweise anforderungsgerechte Lösungen zur Einleitung hoher zyklischer Kräfte erarbeitet. Dabei wurden die Integration von Zylinderrollenlagern durch mechanisches Einpressen und das Tragverhalten von direkt in den Verbund eingeschraubten Gewindeeinsätzen untersucht. Zur Auslegung der Lagerfügung wurde ein analytisches Modell entwickelt, anhand dessen die erforderlichen Passungstoleranzen ermittelt und die daraus resultierende Fugenpressung abgeschätzt werden konnte. Weiterhin konnte mit Hilfe von Lichtmikroskopieuntersuchungen ein schädigungsfreies Fügen des Lagers nachgewiesen werden. Anhand quasistatischer Auszugsversuche an repräsentativen Probekörpern mit eingeschraubten Gewindeeinsätzen wurde das charakteristische Tragverhalten der gewählten Verschraubung beschrieben. Durch Auszugversuche nach zyklischer Vorbelastung konnte eine Resttragfähigkeit der Verbindung abgeschätzt werden, die im Betrag deutlich über der im Betrieb einzuleitenden Anbindungskraft liegt. Der abschließende Tragfähigkeitsnachweis der entwickelten Lasteinleitungslösungen erfolgte an Getriebekomponenten mit mechanisch gefügten Lagern und eingeschraubten Gewindeeinsätzen in einem Technikumsprüfstand unter realen Betriebsbedingungen. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit stellte die Erweiterung der Methodik zur rechnerischen Lebensdauervorhersage von Mehrschichtverbunden unter Schwingermüdungsbeanspruchung durch die Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten und Delaminationsschädigungen dar. Die Modellierung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens erfolgte dabei basierend auf einer experimentellen Charakterisierung eines zähmodifizierten Vinylester-Urethan-Hybrid-Harzsystems mit Kohlenstofffaserverstärkung. In der Modellierung wurde das nichtlineare Verhalten der für die Lebensdauerberechnung relevanten Werkstoffkenngrößen erfasst. Darüber hinaus wurde der Steifigkeitsabfall eines quasi-isotropen Laminats unter Einstufenbelastung experimentell bestimmt und anhand einer geeigneten mathematischen Formulierung beschrieben. Aufgrund von dabei beobachteten großflächigen und mitunter vollständigen Schichttrennungen wurde ein Ansatz zur mechanischen Beschreibung von Laminaten mit Delaminationsschädigungen auf Grundlage der Klassischen Laminattheorie entwickelt. Ein vorhandenes Lebensdaueranalyseprogramm auf dem Prinzip des „critical element“-Konzepts wurde um einen Berechnungskern zur schichtenweisen Versagensanalyse ergänzt. Die genannten Erweiterungen umfassten Module zur nichtlinearen Spannungsanalyse auf Basis der Sekanten-Modul- Iterationstechnik, zur Vorhersage von Zwischenfaserbruch-Versagen nach dem Wirkebenenkriterium von Puck und zur Degradation von Steifigkeitskomponenten nach dem Auftreten von Zwischenfaserbrüchen. Anhand einfacher Berechnungsbeispiele wurde nachfolgend der Einfluss der werkstofflichen Nichtlinearitäten auf die rechnerische Lebensdauervorhersage untersucht. Abschließend erfolgte die Nachrechnung von Versuchsergebnissen am quasiisotropen Laminat unter quasi-stochastischer Belastung (miniTWIST), wobei im Allgemeinen eine sehr gute Übereinstimmung der rechnerischen Vorhersage mit Versuchsergebnissen festgestellt wurde