Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Very High Cycle Fatigue-Bereich
von Till Julian AdamErmüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe
im Very High Cycle Fatigue-Bereich
Während das Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Bereich niedriger und hoher Lastwechselzahlen bis 1E+6 umfassend erforscht ist, sind die Prozesse im sogenannten Very High Cycle Fatigue-Bereich > 1E+7 Lastwechsel bisher weitestgehend unbekannt. Grund hierfür ist in erster Linie das Fehlen geeigneter experimenteller Methoden zur Durchführung hochfrequenter Ermüdungsversuche an polymeren Werkstoffen.
Die Kenntnis des Very High Cycle Fatigue-Verhaltens faserverstärkter Kunststoffe ist von grundlegender Bedeutung für die Sicherheit, Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit moderner hochzyklisch belasteter Leichtbaustrukturen. Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Erforschung der Thematik dar.
Im ersten Schritt wird die Problemstellung hochfrequenter Ermüdungsversuche an faserverstärkten Kunststoffen erörtert, eine geeignete Prüfmethodik entwickelt und diese in Form eines spezialisierten Hochfrequenzprüfstands für Vierpunktwechselbiegung umgesetzt. Leistungsfähige online-Methoden zur Schadensdetektion (Steifigkeitscharakterisierung, Durchlichtverfahren zur Untersuchung der Schadensmechanismen und Thermographie) werden direkt in die Prüfeinrichtung integriert. Mit dem modularen, vierfach ausgeführten Prüfsystem sind parallele Ermüdungsversuche mit Frequenzen von bis zu 80 Hz bis in sehr hohe Lastwechselbereiche und innerhalb ökonomisch sinnvoller Versuchslaufzeiten möglich.
Im Rahmen der experimentellen Arbeiten werden Ermüdungsversuche an zwei unterschiedlichen glasfaserverstärkten Laminaten, einem Kreuz- sowie einem Winkelverbund durchgeführt. Durch Herabsetzen der Schwingbelastung im Horizontverfahren werden die Ermüdungsprozesse ausgehend vom High Cycle Fatigue-Bereich in den Bereich sehr hoher Lastwechselzahlen verschoben und die Änderungen im Schädigungs- und Steifigkeitsdegradationsverhalten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schadensmechanismen (Risswachstum, Delamination) unterhalb bestimmter Grenzbeanspruchungen nicht bzw. nur eingeschränkt initiieren. So wird für den Winkelverbund als Folge ausbleibenden Delaminationswachstums eine Pseudo-Dauerfestigkeit bis 1E+8 Lastwechsel nachgewiesen. Für das Kreuzlaminat kann eine Grenzbeanspruchung für transversales Risswachstum identifiziert werden. Zudem deuten die Ergebnisse an, dass die Schadensinitiierung bei sehr niedrigen Schwingungsamplituden auf Bereiche niedriger Querzugfestigkeiten beschränkt ist. Eine mit Hilfe quasistatischer Rissdichtenevolutionsversuche und analytischer/numerischer Methoden erfolgte Charakterisierung der Festigkeitsverteilung unterstützt diese Hypothese. Zusätzlich ermöglicht der Aufbau eines numerischen Einheitszellensatzes eine differenzierte Analyse der schädigungsbedingten Steifigkeitsdegradation.
