Magazin Forschung 2019

42 | PRODUKTION UND SYSTEME
Internationale Forschung zum Biege- und Deformationsverhalten
von faserverstärkten Kunststoffrohren
Rohre aus faserverstärktem Kunststoff werden unter anderem in der Elektroindustrie und dem
Rohrleitungsbau eingesetzt. Die Gründe dafür sind vielfältig. Speziell Glasfasern bieten neben
dem Leichtbaupotential auch sehr gute Isolationseigenschaften. Dabei sind diese Rohre häufig
einer Biegebelastung ausgesetzt, dessen Auswirkungen auf die Struktur sich wegen der komplexen
Materialbeschaffenheit mit gängigen Berechnungsmodellen nicht vollständig beschreiben lassen.
Deshalb wird im Rahmen des deutsch-französischen Forschungsprojekts 4-Point-Bending Tests
das Biege- und Deformationsverhalten von faserverstärkten Kunststoffrohren unter Biege -
belastung umfassend untersucht.
Einleitung
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) werden aufgrund ihres
Leichtbaupotentials zunehmend in der Automobil-, Luftund
Raumfahrttechnik, der Elektroindustrie und dem
Rohrleitungsbau eingesetzt. Die hohen Festigkeiten und
Steifigkeiten, bezogen auf die Dichte, machen diesen
Werkstoff interessant für Branchen, in denen eine Gewichtsminimierung
– bei gleichzeitiger Erfüllung der
mechanischen Anforderungen als Konstruktionsziele –
gefordert werden. In vielen Industriezweigen werden FVK-
Rohre verwendet und aufgrund äußerer Einflüsse, z. B.
durch Montagemaßnahmen, Anbindungselemente oder
Umweltbedingungen, einer Biegebelastung ausgesetzt.
Im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts „4-
Point-Bending Tests“ zwischen dem Labor Faserverbundtechnik
(LFT) der OTH Regensburg und der Grande École
SIGMA Clermont in Clermont-Ferrand (Frankreich) wird
dieser Lastfall an FVK-Rohren untersucht. Das gemeinsame
Vorgehen umfasst die Entwicklung analytischer
und numerischer Modelle sowie die Durchführung von
Experimenten.
Problembeschreibung
Das Biegeverhalten von faserverstärkten Kunststoff -
rohren lässt sich durch die bekannten Biegetheorien für
klassische, isotrope Werkstoffe wie Stahl nur ungenau
beschreiben. Begründet ist dies darin, dass ein Faserverbundwerkstoff
aus den unterschiedlichen Einzelkomponenten
Kunststoffmatrix und Fasern besteht. Letztere
weisen eine definierte Ausrichtung im Kunststoff aus,
wodurch eine Faserverbundeinzelschicht ein richtungsabhängiges
Materialverhalten besitzt. Darüber hinaus
entsteht durch die unterschiedliche Orientierung der
Einzellagen im Mehrschichtverbund, dem sogenannten
Laminat, eine höhere Komplexität in der Charakterisierung
von globalen Materialeigenschaften. Für die zu untersuchenden
Rohrstrukturen ist die dreidimensionale
Materialbeschreibung bereits durch Siegl und Ehrlich [7]
mathematisch zusammengefasst worden. Bisherige analytische
Modelle zur Beschreibung des Biegeverhaltens
von FVK-Rohren gehen von dem Sonderfall einer konstanten
Biegemomentenbelastung aus [2], [3], [4], [5],
[6], [8]. Zudem wird in diesen Modellen der Verformungseffekt
einer Ovalisierung des Rohrquerschnitts und der
damit verbundene Brazier-Effekt [1], der die Reduzierung
der Biegesteifigkeit für einen dünnwandigen isotropen
Zylinder beschreibt, nicht berücksichtigt.
Projektziel
Ziel ist es, ein analytisches Modell zu entwickeln, welches
die Berechnung einer Ovalisierung und der resultierenden
Biegesteifigkeitsreduzierung von faserverstärkten Kunststoffrohren
ermöglicht. Damit das zu entwickelnde
Modell validiert werden kann, ist es notwendig einen Versuchsaufbau
zu gestalten, der die geforderten Last -
bedingungen eines konstanten Biegemoments erfüllt
sowie die Möglichkeiten bietet, die beschriebenen Effekte
messtechnisch zu erfassen.
Projektablauf
Im Forschungsprojekt werden an beiden Forschungsstandorten
Experimente an eigens konstruierten Versuchsständen
durchgeführt. In den 4-Punkt-Biegever-
Punktkontakt Zweipunktkontakt Linienkontakt
Abbildung 1: 4-Punkt-Biegeversuch am SIGMA Clermont mit untersuchten
Krafteinleitungsgeometrien.