Gekrümmte Faserverbund-Laminate aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen weisen neben ihren zahlreichen vorteilhaften Eigenschaften, auch gewisse Nachteile auf, die es während der Auslegung entsprechend zu berücksichtigen gilt. Einen nicht zu vernachlässigenden Faktor spielen hierbei die äußerst geringen transversalen Festigkeitseigenschaften der Fasern. Kommt es nun infolge des Laminatrandeffektes zu interlaminaren Spannungskonzentrationen am freien Laminatrand, führt dies mitunter zu Delamination und somit zum Versagen der Struktur. Dieses Phänomen, das bei gekrümmten Faserverbund-Strukturen auch als Unfolding bezeichnet und dort durch die Umlenkwirkung in den Krümmungsbereichen begünstigt wird, tritt in vielerlei technischen Anwendungen auf.
Aus diesem Grund sind geeignete und praxistaugliche Werkzeuge erforderlich, die eine zuverlässige Berechnung der dreidimensionalen Spannungsfelder in gekrümmten Faserverbund-Laminaten gewährleisten. Hierbei wird in den meisten Fällen auf Finite-Elemente-Simulationen zurückgegriffen, welche jedoch aufgrund der zwingend notwendigen hohen Diskretisierungsdichte sehr zeitaufwendig sind und somit viele Stunden benötigen, um angemessene Näherungslösungen zu generieren.
Die analytische und experimentelle Untersuchung des Unfoldings in gekrümmten Laminat-Strukturen ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Forschungen. Neben der Bereitstellung einfach zugänglicher und hocheffizienter Analysemethoden zur Ermittlung der kritischen Spannungsfelder, ist es weiterhin unser Ziel, zuverlässige Aussagen über die Festigkeiten von Laminaten hinsichtlich des Unfoldings zu treffen, entsprechende Konstruktionsrichtlinien zu erarbeiten und diese experimentell zu validieren. Durch Entwicklung neuartiger Laminat-Bauweisen und Verstärkungs-Strategien versuchen wir somit künftig für Abhilfe bei dieser durchaus erheblichen Problematik zu sorgen.
Literatur
Schnabel, J. / Yousfi, M./ Mittelstedt, C. (2017): Free-edge stress fields in cylindrically curved symmetric and unsymmetric cross-ply laminates under bending load, Composite Structures 180:862-875
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Mittelstedt, C. / Becker, W. (2007): The Pipes–Pagano-problem revisited: Elastic fields in boundary layers of plane laminated specimens under combined thermomechanical load, Composite Structures 80:373-395
Mittelstedt, C. / Becker, W. (2004): Interlaminar stress concentrations in layered structures – part I: a selective literature survey on the free-edge effect since 1967, Journal of Composite Materials 38: 1037-1062