Ein finites Zwei-Komponenten-Element zur Erfassung hoher Spannungsänderungen in quer zur Faserrichtung belasteten, unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffen

Übersicht

Aufgrund der geringen Steifigkeit und Festigkeit unidirektionaler Verbundwerkstoffe in Querschnittsebenen senkrecht zur Faserrichtung ist eine Untersuchung ihres mechanischen Verhaltens bei Querbelastung unter Berücksichtigung ihrer Mikrostruktur erforderlich. Dazu gehört einerseits die Ermittlung der Steifigkeitseigenschaften bzw. Materialwerte des Verbundmaterials in senkrecht zur Faserrichtungliegenden Ebenen und andererseits-zur Erfassung von Versagensmechanismen-die Ermittlung der Spannungsverteilungen in solchen Querschnitten infolge gegebener Querbelastungen. Zu diesem Zweck wurde ein finites Zwei-Phasen-Element mit nicht konstantem Spannungsfeld entwickelt, das sowohl bei der Steifigkeits- als auch dei der Spannungsermittlung mit Vorteil angewendet werden kann, da es die dabei in der Kontaktfläche Faser-Matrix sowie in den Bereichen zwischen benachbarten Fasern auftretenden hohen Spannungsgradienten mit relativ geringem numerischen Aufwand zu erfassen in der Lage ist. Vergleiche mit bekannten Lösungen zeigen die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Elementes.

Summary

The low transverse stiffness and low transverse strength of unidirectional composites makes it necessary to study their mechanical behaviour under transverse loadings with respect to the given microstructure. This requires the evaluation of the transverse stiffness respectively material properties of the composite on the one hand and in order to realize the failure mechanisms the evaluation of the transverse stress distributions caused by the given transverse load on the other hand. For this purpose a finite two-componentselement with variable stress field has been developed, which may well be used for the evaluation of both the stiffness of and the stresses in the composite because it allows the calculation of the large stress gradients at the interface of fiber and matrix and between adjacent fibers with reasonable numerical effort. Comparisons of the present analysis with known solutions demonstrate the efficiency of the presented element.