Forschungsprojekt Berechnungsmodell für die Lebensdauer von Faserverbunden entwickelt

Redakteur: Dorothee Quitter

Bauteile aus Faserverbundmaterialien werden aufgrund fehlender Lebensdauervorhersagen oftmals überdimensioniert. Die TH Köln und Structural Engineering haben jetzt ein allgemeingültiges Berechnungsmodell für das Ermüdungsverhalten unter zyklischen Belastungen entwickelt.

Firma zum Thema

Projektleiter Prof. Dr. Jochen Blaurock vom Institut für Fahrzeugtechnik der TH Köln vor dem Hydropulser, mit dem die Experimente im Forschungsprojekt durchgeführt wurden.
Projektleiter Prof. Dr. Jochen Blaurock vom Institut für Fahrzeugtechnik der TH Köln vor dem Hydropulser, mit dem die Experimente im Forschungsprojekt durchgeführt wurden.
(Bild: TH Köln)

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.

Lebensdauer für beliebig konstruierte Faserverbundbauteile

Im Forschungsprojekt „Methode zur Berechnung der Lebensdauer von dynamisch beanspruchten Faserverbund-Leichtbauteilen“ wurde ein mathematisches Verfahren entwickelt, das auf Grundlage einiger weniger Versuche eine Lebensdauerberechnung für beliebig konstruierte Faserverbundbauteile ermöglicht. Grundlage ist die sogenannte restfestigkeitsbasierte Ermüdungsbruchkurve für mehrachsige und nichtproportionale Beanspruchungen, welche auf Materialkennwerten basiert, die in den Einzelschichten ermittelt werden.

Laut TH Köln ermittelt das mathematische Modell den Schaden, der durch eine einmalige Belastung 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. Auf diese Weise werden die kritischen Zwischenfaserbrüche prognostiziert, die schnell zum Versagen des gesamten Bauteils führen können, heißt es.

Mathematische Vorhersage im Labor getestet

Zerstörte Probekörper nach einem Belastungstest im Hydropulser.
Zerstörte Probekörper nach einem Belastungstest im Hydropulser.
(Bild: TH Köln)

Das berechnete Versagensverhalten konnte im Labor evaluiert werden. Dafür wurde eine Gelenkwelle eines Sportwagens in einem Hydropulser zeitgleich Zug-, Druck- und Torsionsbelastungen ausgesetzt und dabei bis zu 40 Mal pro Sekunde zehn Tonnen Gewicht ausgesetzt. Das Experiment und die anschließende Untersuchung des zerstörten Bauteils haben nach Angaben der TH Köln gezeigt, dass die mathematische Vorhersage den eintretenden Schaden gut vorhersagen konnte.

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

(ID:47330783)