Faserverbunde: Ermüdungsverhalten ist berechenbar

Professor Jochen Blaurock vor dem Hydropulser, mit dem die Experimente im Forschungsprojekt an Faserverbunden durchgeführt wurden. Die Experimente haben das mathematische Modell für das Ermüdungsverhalten evaluiert. Foto: Heike Fischer/TH Köln

In einem Forschungsprojekt hat die TH Köln ein mathematisches Modell für die Berechnung des Ermüdungsverhaltens von Faserverbunden entwickelt.

Bislang gibt es aber noch keine zuverlässigen Prognoseverfahren für das Ermüdungsverhalten und damit die Lebensdauer von Faserverbund-Bauteilen, sodass diese aus Sicherheitsgründen oftmals überdimensioniert werden. „Faserverbundbauteile kommen häufig an Stellen zum Einsatz, an denen sie zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Es gibt zwar bereits einfache Richtlinien, die eine konservative Abschätzung derartiger Bauteile ermöglichen, eine umfassende Lebensdauervorhersage, die für jede Art der Faserverbundarchitektur Gültigkeit hat, ist jedoch heute noch nicht möglich“, sagt Projektleiter Professor Jochen Blaurock vom Institut für Fahrzeugtechnik der TH Köln.

Richtlinien beruhen auf Ermüdungsverhalten metallischer Werkstoffe

Die bislang verwendeten Richtlinien beruhen beispielsweise auf der maximal zulässigen Dehnung des Materials oder auf Ermüdungsdauermodellen von metallischen Werkstoffen. Dies wird aber den spezifischen Eigenarten von und den komplexen mechanischen Vorgängen in Faserverbunden häufig nicht gerecht. Deshalb kann deren Lebensdauer nur durch experimentelle Untersuchungen ermittelt werden, die dann auch nur für das spezifische Bauteil Gültigkeit besitzen.

Basis ist die restfestigkeitsbasierte Ermüdungsbruchkurve

Ein zerstörter Probekörper nach einem Belastungstest im Hydropulser. Foto: Heike Fischer/TH Köln

Daher hat die TH Köln nun mit dem Pulheimer Ingenieurbüro Structural Engineering ein allgemeingültiges Berechnungsmodell entwickelt. Im gemeinsamen Forschungsprojekt hat Marc Möller im Rahmen seiner Promotion ein mathematisches Verfahren entwickelt, das auf Grundlage einiger weniger Versuche eine Lebensdauerberechnung für beliebig konstruierte Faserverbundbauteile ermöglicht. „Grundlage hierzu ist die sogenannte restfestigkeitsbasierte Ermüdungsbruchkurve für mehrachsige und nichtproportionale Beanspruchungen, welche auf Materialkennwerten basiert, die in den Einzelschichten ermittelt werden“, erläutert Möller.

„Das Modell ermittelt den Schaden, der durch eine einmalige Belastung – einen sogenannten Lastzyklus – in jeder einzelnen Schicht entsteht und darüber hinaus die Wirkung auf den Gesamtverbund. Diese Rechnung wird für mehrere Millionen Lastzyklen wiederholt und der dabei entstehende Schadensfortschritt in jeder Schicht und im Bauteil insgesamt errechnet“, so Blaurock. Auf diese Weise werden insbesondere die kritischen Zwischenfaserbrüche prognostiziert, die schnell zum Versagen des gesamten Bauteils führen können.

Labor-Tests bestätigen das mathematische Modell für Faserverbunde

Das berechnete Versagensverhalten stellte Möller anschließend im Labor auf die Probe. Die Gelenkwelle eines Sportwagens wurde in einem Hydropulser zeitgleich Zug-, Druck- und Torsionsbelastungen ausgesetzt und dabei bis zu 40 Mal pro Sekunde 10 t Gewicht ausgesetzt. „Das Experiment und die anschließende Untersuchung des zerstörten Bauteils haben gezeigt, dass die mathematische Vorhersage den eintretenden Schaden gut vorhersagen konnte“, so Blaurock.

In einem Folgeprojekt soll jetzt das erarbeitete Modell für stochastische Beanspruchungen weiterentwickelt werden.

Die TH Köln ist auch in anderen Bereichen der Kunststoffverarbeitung aktiv. So widmet sie sich in einem Forschungsprojekt der Frage, wie künstliche neuronale Netze dabei helfen können, Duroplaste besser zu verarbeiten.

sk

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