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
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
DLR.de Folie 3 Motivation 20 µm 200 µm
DLR.de Folie 4 Mikrostrukturanalyse Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung faserreich matrixreich
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
DLR.de Folie 6 Mikrostrukturanalyse Nächste-Nachbar-Verteilung Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung
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.
DLR.de Folie 8 Mikrostrukturanalyse Radiale Verteilungsfunktion Faser -Radius -Volumenanteil -Abstand -Verteilung
DLR.de Folie 9 Computer-Tomographie
DLR.de Folie 10 Computer-Tomographie kleineres Volumen mit Poren (in blau)
DLR.de Folie 11 Modellierung MR FR
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
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
DLR.de Folie 14 Modellierung Elastisches Verhalten Zug FR
DLR.de Folie 15 Modellierung Elastisches Verhalten Scherung FR
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] 8749 -- -- -- -- E 22 [MPa] -- 8733 -- -- -- E 33 [MPa] -- -- 143232 -- -- ν 21 [-] 0.392 -- -- -- -- ν 31 [-] 0.017 -- -- -- -- ν 12 [-] -- 0.393 -- -- -- ν 32 [-] -- 0.017 -- -- -- ν 13 [-] -- -- 0.274 -- -- ν 23 [-] -- -- 0.276 -- -- G 12 [MPa] 3140 3136 -- 3224 -- G 32 [MPa] -- -- -- -- 4228 Transversal isotropes Verhalten
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 0.613 8777 142054 0.388 0.017 3204 0.274 0.276 STABW 0.002 38 383 0.004 0.0001 10 0.002 0.001 STABW [%] 0.254 0.428 0.270 0.941 0.587 0.323 0.726 0.384 MW 0.224 5306 53945 0.573 0.035 1672 0.354 0.354 STABW 0.002 28 552 0.003 0.0005 13 0.0004 0.0008 STABW [%] 1.078 0.535 1.023 0.400 1.329 0.765 0.111 0.228 Elastische Kennwerte unabhängig von Faserverteilung
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
DLR.de Folie 19 Modellierung Elastisch-Plastisches Verhalten quadratisch hexagonal Plastisches Verhalten abhängig von Faserverteilung zufällig
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
DLR.de Folie 21 Modellierung Schädigungsverhalten Simulation Reale Zugprobe runde Porengeometrie elliptische Porengeometrie
DLR.de Folie 22 Qualitativer Vergleich von Simulation und Experiment
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)
DLR.de Folie 24 Modellierung Ausblick: von der Mikro- zur Mesoebene
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
DLR.de Folie 26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Werkstoff-Forschung Abteilung Experimentelle und Numerische Methoden Linder Höhe 51147 Köln miriam.loebbecke@dlr.de