Strain rate dependent characterisation of glass fibre reinforced composites for a constitutive material model in LS-DYNA

Abstract

For high-speed loading of glass-fibre reinforced plastics (GFRPs), the strain-rate dependent strength of the material usually increases notably compared to quasi-static load cases. The aim of this thesis is to experimentally determine the strengths of a certain GFRP at high strain rates typical for industrial applications (≈ 500 · 1/s) with the Split Hopkinson bar (SHB) and then to integrate them into a material model using explicit methods within the finite element method (FEM).Tests were conducted for tensile and compression loading in fibre (0°) and perpendicular to the fibre direction (90°) as well as for shear loading at an angle of 45°. The laminate showed a significant increase of strength for 90° compression, 0° compression and shear. Results in 0° tension were inconclusive mainly due to the interaction between the specimens and the fixture.These findings served as a basis for a strain-rate dependent strength within the mater-ial card Mat_Laminated_Composite_Fabric, a continuum damage model with Hashinfailure which can be used for simulations with the commercial software LS-DYNA. Good agreements were then found between the predicted and observed ultimate strengths acrossall strain rates.

Bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten weisen Bauteile aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) eine höhere Festigkeit auf als bei quasistatischen Lastfällen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist, die erhöhten Festigkeiten eines GFK Laminats bei industrieüblichen hohen Dehnraten (≈ 500 · 1/s) experimentell mit dem Split Hopkisnon bar (SHB) zu bestimmen und dann in ein Materialmodell für die explizite Finite Elemente Methode (FEM) zu integrieren.Experimente wurden sowohl für Zug als auch Druck parallel und quer zur Faserrichtung, sowie für Schub unter 45° durchgeführt. Das Laminat wies eine signifikante Erhöhung der Festigkeit unter 90° Druck, 0° Druck und Schub auf. Die Ergebnisse für 0° Zug waren wegen der Interaktion zwischen Probekörper und Aufnahmen nicht aussagekräftig. Weitere Versuche sind nötig, um das Verhalten bei Zug parallel zur Faserrichtung zu bestimmen.Die experimentellen Ergebnisse dienten als Basis für eine dehnratenabhängige Festigkeit der Materialkarte Mat_Laminated_Composite_Fabric (MAT_058), die mit der kommerziellen Software LS-DYNA verwendet werden kann. Eine gute Übereinstimmung zwischen den vorhergesagten und beobachteten Festigkeiten über die unterschiedlichen Dehnraten wurde festgestellt.