Entwicklung eines dreidimensionalen Materialmodells fur Faser-Kunststoff-Verbunde mit Hilfe simulations-begleitender Festigkeitsuntersuchungen an Fliessformschraubverbindungen CFK - Aluminium

摘要

Aufgrund zunehmender gesellschaftlicher und politischer Forderungen nach einer Verminderung des Energiebedarfs von Automobilen ist der konzeptionelle und konsequente Leichtbau in diesem Industriesektor von hoher Bedeutung. Eine Moglichkeit dafur ist der Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbunden. Der automobile Entwicklungsprozess erfordert auch fur diese Werkstoffklasse eine ahnlich gute Prognosequalitat in der numerischen Berechnung mittels der Finite-Elemente-Methode wie bei metallischen Werkstoffen, als wichtiger Baustein fur eine effiziente Fahrzeugentwicklung. Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein dreidimensionales Materialmodell entwickelt, welches eine Spannungs-, Verformungs- und Festigkeitsanalyse fur Faser-Kunststoff-Verbunde ermoglicht. Neben den anisotropen elastischen Eigenschaften stellt dabei die Modellierung des Schadigungs- und Versagensgverhaltens, welches in Faser- und Zwischenfaserbruch differenziert werden muss, eine besondere Herausforderung dar. Um dieser zu begegnen, wurde fur die Detektion von Zwischenfaserbruchen das Puck'sche Zwischenfaserbruchkriterium nach der Richtlinie VDI2014 verwendet. Fur die Schadigungsmodellierung erfolgte die Anwendung der Spannungs-Verzerrungs-Fortschreibungsmethode von Schurmann im dreidimensionalen Spannungsraum. Die Validierung des Materialmodells erfolgte mittels experimenteller Festigkeitsanalysen an Fliessformschraubverbindungen zwischen Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbund und Aluminium, welche je nach Lasteinleitungswinkel alle typischen Versagensformen von Faser-Kunststoff-Verbunden aufweisen. Dafur wurde das Materialmodell mittels einer User-Routine in dem Programm PAM-CRASH umgesetzt. Ein Vergleich der Versuchsdaten und der Simulationsergebnisse zeigte eine gute Ubereinstimmung. Das entwickelte Materialmodell eroffnet somit die Moglichkeit, eine Vielzahl von Lastsituationen von Faser-Kunststoff-Verbunden mittels der Finite-Elemente-Methode zu analysieren.