Simulation der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
CFRP-Verbundstoffe zeichnen sich durch hervorragende Festigkeit bei minimalem Gewicht aus und können so Treibstoffverbrauch und Schadstoffausstoß senken, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Derzeit existieren mehrere Modellansätze zur Simulation beschleunigter Alterung und gesamter Produktlebensdauer von CFRP. Das EU-finanzierte Forschungsprojekt (Fatigue testing of CFRP materials) (FATIMA) entwickelt derzeitige Materialprüfungsmethoden für Projektpartner der Initiative Clean Sky für den Bau der nächsten Generation umweltfreundlicher Flugzeuge weiter. Entwickelt werden neue Methoden, um Folgen von Feuchtigkeit und multiaxialer Belastung sowie Eigenschaften von Mehrschicht-Stoffen oder Stack-Bauteilen zu prüfen. So soll ein Instrumentarium geschaffen werden, mit dem auf Basis bekannter Eigenschaften einzelner Schichten Modelle von Mehrschichtstrukturen erstellt werden. Für die Testversuche wurden die dynamisch mechanische Analyse DMA Q800-RH (relative Luftfeuchte), dynamische Wasserstoffsorption DVS Q5000SA und die METRAVIB- DMA eingesetzt. Die bislang entwickelten Modelle berücksichtigen den Einfluss der Luftfeuchte auf mechanisches Verhalten und Lebensdauer. Mit den o.g. Methoden zur experimentellen Datenerfassung wurde der Miyano-Kurztest (Accelerated Testing Methodology) erweitert, um nun auch Luftfeuchte zu erfassen. Experimentelle und theoretische Studien von Laminatstrukturen aus mehreren Schichten stellten die Grundlage für die Entwicklung eines detaillierten Finite-Elemente-Modells (FE) dar, um Zeit-Temperatur-Verhalten unter dynamischer Belastung zu beschreiben. Anhand der ermittelten Daten wurde ein Fünfschichtmodell erstellt, das einzelne Lagen zu einer Laminatstruktur zusammenführt. Schließlich wurde ein spezieller Probenhalter für kombinierte Dreh- und Beugebelastungen entwickelt, um die Folgen multiaxialer Belastung zu berechnen. 3-Punkt-Belastungstests an Mehrschichtproben wurden mit digitalen Aufnahmen abgeglichen, um mögliche Fehlerquellen zu ermitteln. Anschließend wurden FE-Simulationsmodelle für einachsige Dreh- und Beugebelastungen entwickelt. In der nächsten Phase werden multiaxiale Belastungen simuliert, um die in den Versuchen beobachteten Fehlermechanismen zu identifizieren.Das FATIMA-Instrumentarium zur Simulation der Eigenschaften von Laminatstrukturen eignet sich für die von Clean Sky eingesetzten CFRP-Kunststoffe. Es unterstützt damit die Materialforschung für eine schadstoffärmere und umweltfreundlichere Luftfahrt. Verlangsamte Alterungsprozesse und Langlebigkeit sind Garanten für niedrigere Wartungs- und Betriebskosten bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit.
