Spannungskonzentrationsprobleme

Vom Laminatrandeffekt bis hin zu den Spannungszuständen in gelochten Laminaten – allen Problemfeldern ist gemein, dass sie durch stark lokalisierte interlaminare Spannungsspitzen charakterisiert werden, die mitunter zum Versagen der Struktur führen können. Aus diesem Grund werden am Fachgebiet, basierend auf institutseigenen numerischen und experimentellen Erkenntnissen, (semi-)analytische Verfahren für die jeweiligen Phänomene entwickelt, mit denen zukünftig eine noch effizientere Auslegung von Faserverbund-Strukturen sichergestellt werden kann.

Ein allseits bekanntes Beispiel für Spannungskonzentrationsphänomene in geschichteten Strukturen ist der sogenannte Laminatrandeffekt, der im Wesentlichen durch die elastizitätstheoretische Annahme eines sprunghaften Wechsels der elastischen Materialeigenschaften in den Interfaces zwischen unterschiedlichen Laminatschichten begründet ist und durch das Auftreten von dreidimensionalen und theoretisch sogar singulären Spannungsfeldern an geraden freien Rändern von Laminatplatten und -schalen charakterisiert wird. Ist der Laminatrandeffekt bereits seit nahezu 50 Jahren Gegenstand ausführlicher Forschungsarbeiten gewesen, so sind übergeordnete Problemstellungen wie beispielsweise das Zusammentreffen zweier gerader Laminatränder in einer Laminatecke beliebigen Öffnungswinkels (Laminateckeneffekt) oder das Geschehen an den freien Rändern von Löchern beliebiger Form in Laminaten bislang weniger eingehend untersucht worden. Ein Auftreten signifikanter Spannungskonzentrationen kann zudem auch an Stellen mit Steifigkeitssprüngen bzw. diskontinuierlichen geometrischen Gegebenheiten beobachtet werden, wie es beispielsweise an den Rändern von Reparaturen der Fall ist.

Bei den genannten Problemfeldern handelt es sich stets um potentiell singuläre interlaminare Spannungskonzentrationen, die durch ausgeprägte dreidimensionale Spannungsspitzen an Rändern und Ecken von Laminaten charakterisiert werden. Diese Spannungszustände, die allgemein sehr lokalisiert mit ausgeprägtem Abklingverhalten auftreten, sind für Faserverbund-Laminate höchst praxisrelevant und mithin oftmals der Treiber für Delaminationen. Im äußersten Fall kann es dabei zum katastrophalen Totalversagen einer Struktur kommen, weswegen solchen Spannungskonzentrationsproblemen in der praktischen Auslegung eine angemessene Aufmerksamkeit gewidmet werden muss.

Ziel unserer Forschungen ist es, einfache analytische und semi-analytische Verfahren zu entwickeln, um generell sehr zeitaufwendige Finite-Elemente-Simulationen zu substituieren. Hierbei kommen sowohl spannungs- als auch verschiebungsbasierte Verfahren zum Einsatz, formuliert sowohl auf Meso- als auch auf Makro-Ebene. Schließlich soll auch auf rein numerischem Wege für die Klärung ganz grundlegender Fragen gesorgt werden, die im Hinblick auf diese Phänomene gestellt werden müssen. Dies ist neben der eigentlichen Ermittlung der recht komplexen Spannungsfelder in solchen Strukturen vor allem die Frage nach dem Beginn von Delaminationen sowie nach deren Ausbreitungsverhalten, bevor es zu einem Totalversagen der betrachteten Strukturen kommt. Weitere Klarheit über die auftretenden Spannungsfelder sowie die Qualität der entwickelten Analysezugänge erfolgt auf experimentellem Wege in den fachgebietseigenen Versuchseinrichtungen.

Literatur

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