Schaden- und Ausfallmodellierung für Verbundwerkstoffe
Trotz der hohen Penetration von Verbundwerkstoffen bei neuen Flugzeugen setzen die Hersteller immer noch intensiv auf empirische Methoden, mit denen die Reaktion von Kompositmaterialien auf externe Belastungen nicht genau vorhergesagt werden können. Die Fähigkeit, die Verbundfraktur genau modellieren zu können, würde signifikante Gewichtseinsparungen an der Flugzeugzelle und Verbesserungen der Materialgestaltung selbst ermöglichen. Im Rahmen des Projekts MULTIFRAC (Multiscale methods for fracture) schufen Wissenschaftler fortschrittliche Modelle zur Beschreibung von Materialversagen und integrierten sie in einen Entwurfsrahmen, um den rechnerischen Entwurf von neuen Materialien zu ermöglichen. Die Projektmitglieder entwickelten Rechenverfahren für die Frakturanalyse von Kohlenstoff-Nanoröhren für die Polymer-Verstärkung auf mehrere Längenskalen. Nanoskalige Simulationen halfen, beispielsweise das Verhalten der Grenzfläche zwischen dem Polymer und dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorherzusagen. Das Team verwendete dann eine gleichzeitige Kopplungstechnik, um feinskalige Bereiche um den makroskopischen Bruch einzubetten, wobei der restliche Bereich als homogenisiertes Material berücksichtigt wird. Dieser Ansatz wurde in der Folge verfeinert, um komplexere Bruchmuster auf der feinen Skala zu beschreiben und sie dann auf einfache Mustern auf der Makroebene hoch zu skalieren. Die Materialeigenschaften in Bereichen weit weg von dem makroskopischen Bruch wurden entweder durch einen hierarchischen oder einen semi-konkurrenten Ansatz skaliert. Die durchgeführten Experimente konnten mit den Simulationsergebnissen Schritt halten. Verbundwerkstoffe im Flugzeugbau haben ihr Potenzial für die Entwicklung leichterer Flugzeuge gezeigt, wodurch weniger Kraftstoff verbraucht wird. Wenn die Hersteller deren Schadenstoleranz hinreichend verstehen, werden sie in der Lage sein, das Komposit-Design zu verbessern und die Flugzeuge sicherer zu machen.
Schlüsselbegriffe
Schäden, Ausfallmodellierung, Verbundwerkstoffe, Flugzeuge, Bruch, MULTIFRAC
