Finite Elemente Simulation einer Composite-Struktur - Interaktion von Schichtschädigung und Delamination

Abstract

Das Verständnis für das Schädigungsverhalten von faserverstärkten Kunststoff Laminaten spielt mitunter eine zentrale Rolle in Hinblick auf ihre Einsetzbarkeit. Numerische Simulationen, wie die Finite Elemente Methode (FEM), können dabei als Hilsfmittel eingesetzt werden, um dieses Verhalten akkurater abschätzen zu können. Dahingehend beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Finite Elemente Simulation einer Composite-Struktur mit speziellem Augenmerk auf der Interaktion von Schichtschädigung und Delamination. Ziel ist es mithilfe der FEM und dem am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik entwickelten Modellierungsansatzes, dem sogenannten stacked shell approach (SSA), das beobachtete Schädigungsverhalten, der im Experiment nach Ratcliffe et al., Technical report, NASA/TM-2013-218028, verwendeten Probekörper, abzubilden. Basierend auf den Ergebnissen dieses Experiments und den numerischen Ergebnissen dieser Arbeit gilt es die Anwendbarkeit dieses Modellansatzes zu prüfen. Dazu werden die experimentellen Ergebnisse vorgestellt, gefolgt von einer Einführung in die Theorie der progressiven Schädigungsmodelle. Anschließend wird auf die Modellierung der Schichten und Interfaces näher eingegangen sowie die Wahl der Randbedingungen erläutert. Weiters folgt die Auswertung der Ergebnisse der FEM-Analyse und ein Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen zur Abschätzung der Vorhersagecharakteristik des Modells. Zusammenfassend konnte dabei gezeigt werden, dass die Schichtschädigung sowie die Delamination grundsätzlich gut abgebildet werden können. Schwierigkeiten treten jedoch bei der Abbildung des Interfacewechsels der Delamination auf.

For the application of fiber-reinforced polymeres (FRP) it is important to understand their damage behaviour. Therefore numerical simulations, such as the finite element method (FEM), can be used in order to provide a more accurate prediction. Hence this master thesis deals with the numerical simulation of a composite structure focused on the interaction of ply damage and delamination. The aim of this thesis is to account for the damage behaviour observed in the specimen of the experiments from Ratcliffe et al., Technical report, NASA/TM-2013-218028, by means of FEM, using the stacked shell approach developed at the Institute of Lightweight Design and Structural Biomechanics. Therefore the results of the previously mentioned experiment are presented and an introduction of the theory of progressive damage modelling in FRP is given. Next the finite element modelling of the plies and the interfaces as well as the selected boundary conditions are presented. Afterwards the numerical results are analysed and compared to the experimental data in order to estimate the prediction character of the model. In summary the model basically showed a good prediction on ply damage and delamination. Difficulties arised by accounting for the migration of the delamination into the interface observed in the experiment.