Wie man das Ermüdungsverhalten von Faserverbunden berechnet

Das Berechnungsmodell zum Ermüdungsverhalten von Faserverbundwerkstoffe liefert verbesserte Anhaltspunkte zum materialeffizienten Auslegen von Faserverbundbauteilen, die bislang aus Sicherheitsgründen oftmals überdimensioniert wurden. Entwickelt wurde das Modell von der TH Köln und dem Unternehmen Structural Engineering, die damit einen wichtigen Baustein für die Prognose der Lebensdauer von Leichtbauteilen aus Composites geschaffen haben.

Im Rahmen seiner Promotion hat Marc Möller ein mathematisches Verfahren entwickelt, das auf Grundlage weniger Versuche eine Lebensdauerberechnung für beliebig konstruierte Faserverbundbauteile ermöglicht. Grundlage dafür ist die sogenannte restfestigkeitsbasierte Ermüdungsbruchkurve für mehrachsige und nichtproportionale Beanspruchungen, welche auf Materialkennwerten basiert, die in den Einzelschichten ermittelt werden.

Das Modell berechnet den voraussichtlichen Schaden, der durch eine einmalige Belastung – einen Lastzyklus – in jeder einzelnen Schicht entsteht und darüber hinaus die Wirkung auf den Gesamtverbund. Diese Rechnung wird für mehrere Millionen Lastzyklen wiederholt und der dabei entstehende Schadensfortschritt in jeder Schicht und im Bauteil insgesamt errechnet. Auf diese Weise werden insbesondere die kritischen Zwischenfaserbrüche prognostiziert, die schnell zum Versagen des gesamten Bauteils führen können.

Das berechnete Versagensverhalten stellte Möller anschließend im Labor auf die Probe. Die Gelenkwelle eines Sportwagens wurde in einem Hydropulser zeitgleich Zug-, Druck- und Torsionsbelastungen ausgesetzt und dabei bis zu 40mal pro Sekunde 10 t Gewicht ausgesetzt.

„Das Experiment und die anschließende Untersuchung des zerstörten Bauteils haben gezeigt, dass die mathematische Vorhersage den eintretenden Schaden gut vorhersagen konnte.“
Prof. Dr. Jochen Blaurock, Projektleiter, Institut für Fahrzeugtechnik der TH Köln

In einem Folgeprojekt soll jetzt das erarbeitete Modell für stochastische Beanspruchungen weiterentwickelt werden, um der realen Beanspruchung eines Bauteils mit zufälligen Belastungsformen in der Praxis möglichst nahe zu kommen.

Bild oben: Prof. Dr. Jochen Blaurock vor dem Hydropulser, mit dem die Experimente im Forschungsprojekt durchgeführt wurden. (Quelle: Heike Fischer/TH Köln)

Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung, Plastverarbeiter