Modeling micromorphic damage in long carbon fiber reinforced plastics at different scales

Poggenpohl, Lukas Martin; Wulfinghoff, Stephan; Simon, Jaan-Willem; Reese, Stefanie

doi:42458

Modeling micromorphic damage in long carbon fiber reinforced plastics at different scales

Poggenpohl, Lukas Martin^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lukas Martin Poggenpohl, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Jaan-Willem (Thesis advisor)^RWTH* ; Wulfinghoff, Stephan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06739
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/961281/files/961281.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CFRPs (frei) ; cohesive zone (frei) ; damage (frei) ; homogenization (frei) ; micromorphic damage (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Komposite finden in der Geschichte der Menschheit seit langem Anwendung. Bereits zu Zeiten der Pharaonen wurden Lehm und Stroh kombiniert, um hieraus Häuser zu bauen. Im Allgemeinen werden Komposite genutzt, um die positiven Eigenschaften der verschiedenen Komponenten zu kombinieren und Materialien mit extremen oder auf die Anwendungsbedürfnisse maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Vor allem im Bereich des Leichtbaus werden heutzutage Komposite aus einer Kombination von Epoxidharz mit Glasfasern (so genannte glasfaserverstärkte Kunststoffe oder GFKs) oder Carbonfasern (so genannte carbonfaserverstärkte Kunststoffe oder CFKs) eingesetzt. Letztere bieten eine besonders hohe Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte, was sie zu einem idealen Werkstoff für Anwendungen des Leichtbaus macht. Hergestellt werden CFKs wahlweise aus in unterschiedlichen Richtungen übereinander gelegten Schichten aus parallelen Fasern oder aus Gewebe mit unterschiedlicher Webstruktur, die üblicherweise mit einem Epoxidharz ausgegossen werden. Durch die komplexe Mikrostruktur führen selbst einfache Lastfälle zu komplexen Spannungszuständen innerhalb des Materials. Zudem zeigt CFK ein sprödes Materialversagen mit signifikanter Streuung der Materialparameter, was in der Anwendung zu hohen Sicherheitsfaktoren führt. Eine genauere Vorhersage des Materialverhaltens vor allem im Bereich der Materialschädigung würde zu einer Reduktion der Sicherheitsfaktoren und damit einer besseren Auslegung von CFK Strukturen führen. Die vorliegende kumulative Dissertation möchte einen Beitrag dazu leisten, das Schädigungsverhalten carbonfaserverstärkter Kunststoffe besser zu verstehen. Sie besteht in der Hauptsache aus drei bereits veröffentlichten wissenschaftlichen Publikationen des Autors und mehrerer Koautoren. Ziel der Veröffentlichungen war die Simulation des Schädigungsverhaltens von CFKs sowohl auf der Skala der Bauteile als auch auf der mikroskopischen Skala der Laminate und Gewebe. Das verwendete Materialmodell für spröde Schädigung, ohne die Berücksichtigung von Plastizität, ist hierbei für alle drei Veröffentlichungen ähnlich. In dem Materialmodell wird die gradientenerweiterte (oder mikromorphe) Schädigung verwendet, um netzgrößenunabhängige Ergebnisse zu erzeugen. Die Dissertation beginnt mit einer Einleitung um die forschungsrelevanten Fragen zu beleuchten und den aktuellen Stand der Forschung darzulegen. Es folgt die erste von insgesamt drei wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Hier wurde ein isotropes Materialmodell für große Deformationen um einen anisotropen Anteil erweitert, um das Materialverhalten von CFK auf makroskopischer Ebene zu simulieren. Sowohl der isotrope als auch der anisotrope Anteil erhielten dabei eine eigene skalare Schädigungsvariable, um zwischen der Schädigung der Epoxidmatrix (isotroper Teil) und der Schädigung der Carbonfaser (anisotrope Erweiterung) zu unterscheiden. Für beide Anteile wurde außerdem eine Zug-Druck-Asymmetrie eingeführt, um den Effekt der Rissschließung zu berücksichtigen. Zusätzlich wurde eine Anisotropie im Gradiententerm des isotropen Materialanteils eingeführt, um die Richtungsabhängigkeit der Rissausbreitung zu berücksichtigen. Schlussendlich wurden die Materialparameter des numerischen Modells an experimentelle Ergebnisse von unidirektionalem CFK gefittet und die Leistungsfähigkeit des Materialmodells beurteilt. In der zweiten Veröffentlichung wurde das Materialverhalten von CFK auf der Mikroskala untersucht. Da hierbei auf der Mikroskala eine geometrische Unterscheidung zwischen Faser und Matrix möglich ist, wurde nur der isotrope Anteil des zuvor verwendeten Materialmodells genutzt. Ziel der Veröffentlichung war die Entwicklung eines neuen Homogenisierungsansatzes mit und ohne Betrachtung der Grenzschicht zwischen Epoxidmatrix und Carbonfaser. Der Homogenisierungsansatz basierte dabei auf der so genannten Versagenzonenmittelung und hatte das Ziel, aus Simulationen der Mikroskala ein Materialverhalten für die nächstgrößere Skala abzuleiten. Der Ansatz berücksichtigte hierbei die energetischen Anteile sowohl aus dem mechanischen Anteil des Modells, als auch aus der mikromorphen Erweiterung. Eine Untersuchung der Leistungskomponenten zeigte, dass die mikromorphe Leistung im Falle der Versagenzonenmittelung nicht null ist und sogar Leistungsspitzen zeigt, die über jenen der mechanischen Leistung liegen. Bezogen auf die insgesamt im System dissipierte Energie konnte jedoch gezeigt werden, dass die durch die mikromorphen Anteile dissipierte Energie vernachlässigbar klein ist. Die Veröffentlichung schloss mit Simulationen, die die Grenzschicht zwischen Faser und Matrix mitberücksichtigten. Hierbei zeigte sich eine allgemein verringerte Festigkeit bei gleichzeitig gesteigerter dissipierter Energie. In der letzten Veröffentlichung wurde die zuvor dargestellte Homogenisierungsmethode auf die Lastfälle der simplen Scherung, der reinen Scherung und der gemischten Belastung aus Zug und Scherung angewandt. Es zeigte sich, dass sich verschiedene Last-Verformungs-Kurven ausbilden abhängig von der Art der Belastung, der Geometrie und ob die Zug-Druck-Asymmetrie aktiviert ist. Insbesondere die Orientierung der Versagenszone hatte hier einen bedeutenden Einfluss. Die Veröffentlichung schloss wiederum mit Simulationen, die die Grenzschicht zwischen Faser und Matrix mitberücksichtigten. Hierbei zeigte sich, wie zuvor, eine erhöhte Dissipation bei gleichzeitig verringerter Festigkeit. Die Dissertation schließt mit einem Ausblick auf forschungsrelevante Fragen, die sich aus den Ergebnissen der drei veröffentlichten Fachartikel für zukünftige Arbeiten auf diesem Forschungsgebiet ergeben.

Composites have been used for a long time in the history of mankind. Already in the times of the pharaohs, clay and straw were combined to build houses out of this material. In general, composites are used to combine the positive properties of the various components and produce materials with extreme properties or properties tailored to the application needs. Nowadays, composites made from a combination of epoxy resin with glass fibers (so-called glass fiber reinforced plastics or GFRPs) or carbon fibers (so-called carbon fiber reinforced plastics or CFRPs) are used primarily in lightweight construction. The latter offer particularly high stiffness and strength combined with low density, making them an ideal material for lightweight construction applications. CFRPs are manufactured either from layers of parallel fibers laid on top of each other in different directions or from woven fabrics with different weave structures, which are usually filled with an epoxy resin. Due to the complex microstructure, even simple load cases lead to complex stress states within the material. In addition, CFRP exhibits brittle material failure with significant scatter in material parameters, leading to high factors of safety in applications. A more accurate prediction of the material behavior, especially in the area of material damage, would lead to a reduction of the safety factors and thus to a better design of CFRP structures. This cumulative dissertation aims to contribute to a better understanding of the damage behavior of carbon fiber reinforced plastics. It consists mainly of three previously published scientific papers from the author and several co-authors. The aim of the publications was the simulation of the damage behavior of CFRPs both at the scale of the components and at the microscopic scale of the laminates and fabrics. Here, the material model used for brittle damage, without considering plasticity, is similar for all three publications. In the material model, gradient-extended (or micromorph) damage is used to produce mesh size-independent results.The dissertation begins with an introduction to illuminate the research-relevant questions and to present the current state of research. This is followed by the first of a total of three scientific publications. Here, an isotropic material model for large deformations was extended by an anisotropic component in order to simulate the material behavior of CFRP on a macroscopic level. Both the isotropic and anisotropic portions were given their own scalar damage variable to distinguish between damage to the epoxy matrix (isotropic part) and damage to the carbon fiber (anisotropic extension). A tension-compression asymmetry was also introduced for both parts to account for the effect of crack closure. In addition, an anisotropy was introduced in the gradient term of the isotropic material part to account for the direction dependence of the crack propagation. Finally, the material parameters of the numerical model were fitted to experimental results of unidirectional CFRP and the performance of the material model was evaluated.In the second publication, the material behavior of CFRP was investigated on the microscale. Since a geometric distinction between fiber and matrix is possible on the microscale, only the isotropic part of the previously implemented material model was used. The aim of the publication was to develop a new homogenization approach with and without consideration of the interface between epoxy matrix and carbon fiber. The homogenization approach was based on the so-called failure zone averaging and aimed at deriving a material behavior for the next larger scale from simulations of the microscale. The approach took into account the energetic components from both the mechanical part of the model and the micromorphic extension. An examination of the power components showed that the micromorphic power is non-zero in the case of failure zone averaging, and even shows power peaks that exceed those of the mechanical power. However, in terms of the total energy dissipated in the system, it was shown that the energy dissipated by the micromorphic components is negligible. The publication concluded with simulations that included the interface between fiber and matrix. Here, a generally reduced strength with simultaneously increased dissipated energy was observed. In the last publication, the previously presented homogenization method was applied to the load cases of simple shear, pure shear and mixed mode loading. It was shown that different load-deformation curves formed depending on the type of load, the geometry and whether the tension-compression asymmetry is activated. In particular, the orientation of the failure zone had a significant influence here. The publication again concluded with simulations that took into account the interface between fiber and matrix. Here, as before, an increased dissipation with simultaneously reduced strength was shown.The dissertation concludes with an outlook on research-relevant questions arising from the results of the three published papers for future work in this area of research.

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