Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde

Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde dienen zur Unterscheidung ob eine äußere Belastung in einem Bauteil aus Faser-Kunststoff-Verbund zu einem Versagen führt oder nicht.

Aufgrund der Festigkeitsanisotrope von Faserkunststoffverbunden wird zwischen unterschiedlichen Versagensformen unterschieden. Es existieren eine Vielzahl von Kriterien, deren Anwendung vom zu berechnenden Problem abhängt. Die Ergebnisse der Kriterien unterscheiden sich oft erheblich. Im deutschsprachigen Raum wird mit der neuen VDI-Richtlinie 2014, Teil 3 der Versuch unternommen, ein einheitliches Berechnungsverfahren einzuführen.

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Problematik

Bei metallischen Werkstoffen wird der statische Festigkeitsnachweis oft über das Verhältnis einer Vergleichsspannung (z.B. von Mises Spannung) zu einer aus dem einaxialen Zugversuch gewonnen Festigkeitsgröße geführt. Bei Faserkunststoffverbunden ist dieses Vorgehen nicht möglich, da in den unterschiedlichen Raumrichtungen unterschiedlich hohe Festigkeiten vorliegen (Anisotropie). Es muss daher sehr genau zwischen äußerer Belastung und innerer Beanspruchung unterschieden werden. Zusätzlich gehen einige Kriterien davon aus, dass die Bruchwiderstände mit der Beanspruchungsart interagieren.

Die Berechnung der Bruchlast ist aufgrund von ungenauen Festigkeitskennwerte noch nicht mit der Genauigkeit wie bei metallischen Werkstoffen möglich. Die Festigkeiten in Faserkunststoffverbunden reagieren sehr empfindlich auf die Änderung der Fertigungsbedingungen. Des weiteren spielen Parameter, wie der Faservolumenanteil, die Temperatur, die Feuchte usw. eine wichtige Rolle. Der Einfluss von mikromechanischen Eigenspannungen so wie nichtlinearer Elastizität ist Stand der Forschung.

Festigkeitskennwerte können z.B. durch die Zug-Druck-Torsion-Prüfung (ZDT-Prüfung) gewonnen werden.

Einteilung der Bruchkriterien

Die Bruchkriterien für Faserkunststoffverbunde werden nach der Art des Versagens, das sie unterscheiden können, unterteilt.

Pauschale Kriterien können nur zwischen Versagen oder Nichtversagen unterscheiden. Sie treffen keine Aussage über die Art des eintretenden Bruchs. Erfahrene Konstrukteure können jedoch auch aus den pauschalen Kriterien auf die Bruchform schließen.

Differenzierende Kriterien gelten nur für eine bestimmte Bruchart, z.B. den Zwischenfaserbruch. Mit ihnen ist häufig eine Vorhersage unterschiedlicher Bruchformen möglich.

Pauschalkriterien

• Tsai-Wu Kriterium

Zwischenfaserbruchkriterien

  Als Zwischenfaserbruch bezeichnet man einen Bruch oder Riss in der Matrix (Kohäsivversagen) oder der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix (Adhäsivversagen). Es werden keine Fasern durchtrennt.

• physikalisch begründetes Wirkebenenkriterium
• Dehnungskriterium
• Spannungskriterium
• ...

Faserbruchkriterien

  Als Faserbruch bezeichnet man den Bruch einer Faser. Dabei wird die Faser durch einen senkrechten oder zur Faserachse geneigten Riss durchtrennt.

• Einfaches Faserbruchkriterium
• Faserbruchkriterium nach Puck
• Dehnungskriterium
• Spannungskriterium
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Delaminationskriterien

Als Delamination bezeichnet man die Trennung zweier Schichten in einem geschichteten Faserkunststoffverbund. Die Delamination kann als Sonderfall des Zwischenfaserbruchs angesehen werden.

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Hinweis

Im August 2006 ist die neue VDI-Richtlinie 2014, Teil 3, Entwicklung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund - Berechnungen veröffentlicht worden.

Literatur

• A. Puck: Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten. Hanser, 1996. ISBN 3-446-18194-6, kostenloser Download des Buchs