Grundlagen Epoxydharze - Kap. 1 Arbeitsanleitungen

BAUTEILKONSTRUKTIONEN AUSSAGEN ÜBER DAS AUSLEGEN VON COMPOSITE-BAUTEILENCOMPONENT DESIGNS GENERAL STATEMENTS ON THE DESIGN OF COMPOSITE COMPONENTS1KontinuumstheorieVoraussetzung:OrthotropieSymmetrie zur MittelebeneEbener SpannungszustandBemerkungen:Bei der Kontinuumstheorie werden im Laminat Faser und Harz als fest miteinanderverbunden angesehen. Behindert wird die Anwendung der Theorielediglich durch die Voraussetzung des symmetrischen Aufbaus des Laminates.LaminattheorieVoraussetzung:Die Schichten sind fest miteinander verbundenBei einer Belastung ist in jeder Einzelschicht die Verformunggleich großFinite-Elemente-Methode (FEM)Voraussetzung:Die FEM ist sicherlich die allgemeingültigste Methode zur Auslegung undBerechnung von Faserverbundbauteilen. Einige Firmen bieten speziell zurBerechnung von Faserverbundbauteilen Module an, die die Besonderheiten,Anisotropie u.ä. von Faserverbundwerkstoffen berücksichtigen. Einschränkungenfür diese Berechnungsmethode bestehen je nach der verwendeten Software.Inwieweit Voraussetzungen für die Verwendung einzelner Programme erfülltsein müssen (Orthotropie, Symmetrie zur Mittelebene, ebener Spannungszustand,etc.) muß je nach eingesetztem Programm in Erfahrung gebracht werden.Ermittlung der MaterialdatenVoraussetzungen für die Berechnungen ist die Kenntnis über die mechanischenDaten der eingesetzten Materialien. Die Anzahl und Art der benötigten Datenhängt von der verwendeten Berechnungsmethode und dem gewünschtenMaterialaufbau ab.Oftmals liegen die benötigten Kennwerte für die gewünschteMaterialkombination nicht vor. Mittels theoretischer Ansätze ist esmöglich, aus den mechanischen Daten der einzelnen Komponenten, Faser undMatrix, diese zu berechnen. Ist die Berechnung nicht möglich, sind zerstörendemechanische Prüfungen zur Ermittlung der Daten notwendig.VersagensanalyseContinuum theoryThe component must exhibit the following:OrthotropySymmetry about the centre planePlane state of stressBrief description:The continuum theory treats the laminate’s fibres and resin as being firmlycombined. Applying this theory is restricted solely by the requirement that thelaminate exhibits a symmetrical structure.Laminate theoryThe component must exhibit the following:The plies are joined firmly togetherWhen loaded, each ply undergoes equal deformationFinite elements method (FEM)The component must exhibit the following:Without doubt, the finite elements method is the most common methodused in the design and calculation of fibre composite components. A numberof companies offer modules that specifically take into consideration the salientfeatures, anisotropy, and other aspects in the calculation of fibre composites.This method of calculation can be restricted in its scope by the software used,so it is important to know beforehand what the software requires to runproperly (orthotropy, symmetry about the centre plane, plane state of stress,etc.).Determining the material dataThis stage requires mechanical data that must be obtained beforehand from thematerials used. As to the quantity and type of these data, this depends in turnon the adopted method of calculation and the planned material structure.The characteristics needed for the planned material combination are often notknown. A theoretical approach could be taken to derive these values from themechanical data of each component, i.e. of the fibres and matrix. If thesecalculations are not possible, then the designer must resort to destructivemechanical tests.Failure analysisNachdem die Berechnung durchgeführt wurde, ist die Analyse des Ergebnissesnotwendig. Speziell für Faserverbundbauteile wurden in der Vergangenheitmehrere Versagenshypothesen entwickelt. Diese Theorien unterscheiden sichin den betrachteten Belastungen (statisch oder dynamisch), in der Bewertungder auftretenden Versagensarten (Faserbruch, Matrixbruch, Grenzflächenversagen)und in den grundsätzlichenÜberlegungen, ob festigkeitsorientiert odergegen maximale Dehnungen dimensioniert werden soll.Ähnlich wie bei den Versagenshypothesen für konventionelle Werkstoffe solleine Vergleichbarkeit zwischen einem mehrachsigen Beanspruchungszustandund einem unter einachsigen Laborversuchen ermitteltem Vergleichswertermöglicht werden.ErgebnisDie Aus- und Bewertung der Auslegung von Faserverbundbauteilen ist der letzteSchritt. Die vielfältigen Variationsmöglichkeiten der Materialien, der Faserorientierungen,die freie Formgestaltung und Fertigungseinflüsse erschwerendie rein theoretische Betrachtung des Problems. Eine Fertigung von Prototypenund praxisnahe Tests mit ihnen sind somit unbedingt notwendig. Erst dieseErgebnisse geben letztendlich Aufschluß darüber, ob das Bauteil in der Praxiseingesetzt werden kann.1.18Once the calculations have been concluded, the results must be analysed. Inthe past, several failure hypotheses were developed specifically for fibrecomposite components. These theories differ in the observed loading conditions(static or dynamic), the evaluation of the failure type (fibre fracture, matrixfracture, interface failure), and the underlying consideration as to whether thedimensioning is based on the component’s strength or the maximum permittedelongations.Similar to those for conventional materials, these failure hypotheses areintended to facilitate comparisons between a multiaxial state of stress and areference value obtained from uniaxial laboratory tests.ResultsThe last step involves evaluating and assessing the design of fibre compositecomponents. The purely theoretical observation of this problem is made difficultby the wide range of possible variations, the fibre orientations, the freedom inthe design, and manufacturing effects. So it is highly important that a prototypeis produced and subjected to field trials. Only these final findings can verifywhether the component can be used in practice.Ausg./Ed. 01.03 Änderungen vorbehalten / Modifications reservedR&G Faserverbundwerkstoffe GmbH • D-71111 Waldenbuch • Fon 0 71 57/53 04 60 • Fax 0 71 57/53 04 70 • www.r-g.de