Einfluss mikrostruktureller Inhomogenitäten auf das mechanische Verhalten von thermoplastischem CFK

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1 DLR.de Folie 1 Werkstoff-Kolloquium 2014 Hybride Werkstoffe und Strukturen für die Luftfahrt 2. Dezember 2014, DLR Köln Einfluss mikrostruktureller Inhomogenitäten auf das mechanische Verhalten von thermoplastischem CFK M. Löbbecke 1, A. Schuld 1, M. Bartsch 1, A. Dennstedt 2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) 1 Institut für Werkstoff-Forschung 2 Institut für Materialphysik im Weltraum Köln

2 DLR.de Folie 2 > Vortrag > Autor Dokumentname > Datum Motivation Metalle und CFK mit thermoplastischer Matrix: attraktive Kombination Herausforderungen Anbindung Metall-CFK CFK: Einfluss von Inhomogenitäten auf das mechanische Verhalten

3 DLR.de Folie 3 Motivation 20 µm 200 µm

4 DLR.de Folie 4 Mikrostrukturanalyse Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung faserreich matrixreich

5 DLR.de Folie 5 Mikrostrukturanalyse Radius normalverteilt 3,6 µm ± 0,2 µm Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung Volumenanteil faserreich: 62,1 % ± 4,0 % matrixreich: 21,8 % ± 3,8 % Abstand (Nächster Nachbar) faserreich: 7,2 µm ± 0,3 µm matrixreich: 8,4 µm ± 2,3 µm

6 DLR.de Folie 6 Mikrostrukturanalyse Nächste-Nachbar-Verteilung Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung

7 DLR.de Folie 7 Mikrostrukturanalyse Radiale Verteilungsfunktion - Vorgehensweise Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung Torquato, S. (2002): Random Heterogeneous Materials - Microstructure and Macroscopic Properties. Springer-Verlag, 2002.

8 DLR.de Folie 8 Mikrostrukturanalyse Radiale Verteilungsfunktion Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung

9 DLR.de Folie 9 Computer-Tomographie

10 DLR.de Folie 10 Computer-Tomographie kleineres Volumen mit Poren (in blau)

11 DLR.de Folie 11 Modellierung MR FR

12 DLR.de Folie 12 Modellierung Geometrieerstellung Eingabevariablen Faserablagealgorithmus Faserablage Mittelpunkt: gleichverteilt Radius: normalverteilt Periodische Randgeometrie Faserschüttelalgorithmus ja v f akt < v f end nein Ausgabe Ergebnisse Schüttelalgorithmus Verschiebung zum nächsten Nachbarn höhere Faservolumenanteile möglich

13 DLR.de Folie 13 Modellierung Finite Elemente Modell Materialdaten Thermoplast: isotrop Kohlenstofffaser: transversal isotrop Bedingungen Periodische Randbedingungen Zug- und Scherbelastungen Homogenisierung FE-Rechnung Volumenmittelwerte von Spannungen und Dehnungen Berechnung von Materialkennwerten z y x

14 DLR.de Folie 14 Modellierung Elastisches Verhalten Zug FR

15 DLR.de Folie 15 Modellierung Elastisches Verhalten Scherung FR

16 DLR.de Folie 16 Modellierung Elastisches Verhalten FR a b c Zug in x Zug in y Zug in z Scherung Scherung in xy in yz E 11 [MPa] E 22 [MPa] E 33 [MPa] ν 21 [-] ν 31 [-] ν 12 [-] ν 32 [-] ν 13 [-] ν 23 [-] G 12 [MPa] G 32 [MPa] Transversal isotropes Verhalten

17 DLR.de Folie 17 Modellierung Elastisches Verhalten FR a MR b c FR MR v f E 11 E 33 ν 21 ν 31 G 12 ν 23 ν 13 [--] [MPa] [MPa] [--] [--] [MPa] [--] [--] MW STABW STABW [%] MW STABW STABW [%] Elastische Kennwerte unabhängig von Faserverteilung

18 DLR.de Folie 18 Modellierung Elastisch-Plastisches Verhalten Geometrieerstellung zufällig Eingabevariablen Konstanter Faserradius Faservolumengehalt: 52,8 % Keine Randfasern Mittlerer Abstand nächster Nachbar regelmäßig quadratisch hexagonal

19 DLR.de Folie 19 Modellierung Elastisch-Plastisches Verhalten quadratisch hexagonal Plastisches Verhalten abhängig von Faserverteilung zufällig

20 DLR.de Folie 20 Modellierung Schädigungsverhalten Matrix Elastisch-plastisches Verhalten Plastisches Schädigungskriterium Faser Elastisches Verhalten runde Porengeometrie unveränderte Mikrostruktur schlauchförmige Poren unveränderte Porenposition unterschiedliche Porengeometrie elliptische Porengeometrie

21 DLR.de Folie 21 Modellierung Schädigungsverhalten Simulation Reale Zugprobe runde Porengeometrie elliptische Porengeometrie

22 DLR.de Folie 22 Qualitativer Vergleich von Simulation und Experiment

23 DLR.de Folie 23 Modellierung Ausblick: von der Mikro- zur Mesoebene Elastische Kennzahlen aus 9 verschiedenen Mikrostruktur- RVEs (rote Quadrate) homogene transversal isotrope Würfel Aufbau eines Rovings auf Mesoebene (schwarzes Rechteck)

24 DLR.de Folie 24 Modellierung Ausblick: von der Mikro- zur Mesoebene

25 DLR.de Folie 25 Zusammenfassung Elastisches Verhalten Faserverteilung: Simulation: Inelastisches Verhalten Faserverteilung: Simulation: wenig Einfluss auf elastische Eigenschaften homogenes Material ausreichend Rechenaufwand gering signifikanter Einfluss auf inelastische Eigenschaften mikrostrukturelle Details wichtig Rechenaufwand hoch Detaillierte numerische Modelle nur dort, wo inelastisches Verhalten auftritt

26 DLR.de Folie 26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Werkstoff-Forschung Abteilung Experimentelle und Numerische Methoden Linder Höhe Köln