Crashverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Kombination mit metallischen Strukturen

Ubersicht Das Crashverhalten von Faser-Kunststo?-Verbunden (GF Triax-Geflecht, Epoxidharz) in Kombination mit metallischen Strukturen in Form von Rohrproben unterschiedlicher Querschnittsgeometrien ist hinsichtlich spezifischer Kennwerte analysiert. Der Fokus liegt in der Bewertung von gegenseitigen Wechselwirkungen und resultierenden Abhangigkeiten¨ zur Schadenscharakteristik infolge von Interaktionse?ekten. Ziel ist die Erhohung¨ der Crashlasten von Faser-Kunststo?-Verbunden. Die Versuche zum Crashverhalten erfolgen mittels eines entwickelten Prufstands¨ durch Einsatz von piezo-elektrischen sowie optischen Messmitteln fur¨ Beanspruchungsgeschwindigkeiten bis 8,5m/s und Beanspruchungswinkel a = 10?. Die Versuchsreihen und deren Ergebnisse weisen fur¨ reprasentative¨ Kombinationen erhohte¨ spezifische Energieabsorptionskennwerte (bis zu +20%) bei nahezu performanter Kraft-Weg-Charakteristik und di?erenzierten Versagensmoden gegenuber¨ reinen Faser-Kunststo?-Verbunden auf. Nichtlineare numerische Simulationen mit explizitem Losungsansatz¨ sind zur Ana-lyse der experimentell auftretenden Phanomene¨ erfolgt. Die Modellierungsstrategie fur¨ GF Triax-Geflechte basiert auf einem modifizierten Multi-Shell-Layer-Ansatz, der mit extrapolierten inter- sowie intralaminaren Eigenschaften qualitative und quantitative Kongruenz zeigt. Das anisotrope lagenbasierte Materialmodell berucksichtigt¨ Materialdegradation infolge von Schadigungen¨ und verfugt¨ uber¨ spannungsbasierte implementierte Versagenskriterien. Einachsige Zug-, einachsige Druck-, bi-axiale Zug- und Schubbelastung, Vier-Punkt-Biegung sowie zyklische Versuche sind zur Kalibrierung durchgefuhrt¨. Kumulierter Schadigungsfortschritt¨ ist mittels aufgebrachter Akustiksensoren detektiert. Zur Abbildung flechtwinkelspezifischer Konfiguration ist ein Interpolationskonzept implementiert. Die Sensitivitaten¨ der numerischen und physikalischen Modellparameter sind ausgewiesen und kalibriert. Metallische Strukturen sind mit standardisierten isotropen Materialmodellen fur¨ Aluminium EN-AW 6016 im Zustand T6 in Shell-Modellierung umgesetzt. Die qualitative und quantitative Abbildungsgute¨ des entwickelten Modellierungsansatzes ist gegenuber¨ den Versuchsreihen und deren Phanomenologie¨ gegeben, jedoch konnen¨ vereinzelt lediglich Prognosetrends der charakteristischen Kennwerte unter Berucksichtigung¨ der Interaktionse?ekte gezeigt werden. Abstract The crash behavior of fiber reinforced plastic composites (glass fiber triaxial braids with epoxy matrix) in combination with metal structures is analyzed with pipe-shaped samples of di?erent cross-sections. The evaluation of mutual interaction and the resulting dependencies on failure characteristics as well as changing failure modes based on interaction e?ects is focused in this work with the overall goal of increasing crash loading with fiber reinforced composites. The crash behavior of sample components is characterized via a developed testing system based on piezo-electrical and optical sensors for loading velocities of up to 8.5m/s and oblique impacts of a = 10?. Testing trials and results of representative samples show increasing energy absorption parameters of up to +20% compared to pure fiber reinforced plastic components while maintaining performance-level force-to-distance-characteristics and di?erentiated failure modes. Non-linear explicit numerical simulations are conducted to evaluate the observed experimental phenomena. The hence developed modeling strategy for glass fiber tri-axial braidings is based on a modified multi-shell-layer approach, which demonstrates qualitative and quantitative congruency when applied with extra-polated intra- and interlaminar properties. The anisotropic layer-based material model accounts for material degradation caused by introduced damage and displays stress-related failure criteria. Model calibration was conducted for uniaxial tensile-, uniaxial compressive, bi-axial tensile and shear, four-point-bending and cyclical load testing. For chosen test scenarios, cumulative damage propagation was detected with applied acoustic sensors. An interpolation concept based on classical laminate theory was implemented to display braiding-angle dependent configurations. The sensitivity of numerical and physical model parameters in relation to prediction accuracy is displayed and calibrated. Standardized isotropic material models based on shell-models with given model accuracy for aluminum EN-AW 6061 grade T6 are applied for the simulation of metal structures. The simulative accuracy compared to experimental studies and their failure modes is confirmed. The presented experimental and simulative results display good accordance, but in some cases can only display qualitative prediction trends.