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In this study, quasi-static material tests on unidirectional and multi-angle glass fiber reinforced epoxy laminates at ambient temperatures from -213 K to 353 K (-60 °C to +80 °C) are performed. In addition, neat resin is investigated under tension and compression loads at different temperatures. The coefficient of thermal expansion is determined for neat resin and unidirectional reinforced specimens. The dependence of the resin’s thermomechanical properties on the ambient temperature is shown. The point of damage onset at which first cracks appear within the matrix under quasi-static loading is investigated by means of optical grey scale analysis. The correlation between damage onset and effective matrix stress at different ambient temperatures is identified. An approach for the calculation of thermomechanical loads and the prediction of the damage onset by means of inverse calculations is presented. The impact of the strain blocking effect of the matrix is considered as well as residual thermal stresses due to curing and resin shrinkage.
In this study, quasi-static material tests on unidirectional and multi-angle glass fiber reinforced epoxy laminates at ambient temperatures from -213 K to 353 K (-60 °C to +80 °C) are performed. In addition, neat resin is investigated under tension and compression loads at different temperatures. The coefficient of thermal expansion is determined for neat resin and unidirectional reinforced specimens. The dependence of the resin’s thermomechanical properties on the ambient temperature is shown. The point of damage onset at which first cracks appear within the matrix under quasi-static loading is investigated by means of optical grey scale analysis. The correlation between damage onset and effective matrix stress at different ambient temperatures is identified. An approach for the calculation of thermomechanical loads and the prediction of the damage onset by means of inverse calculations is presented. The impact of the strain blocking effect of the matrix is considered as well as residual thermal stresses due to curing and resin shrinkage.
Faser-Kunststoff-Verbunde werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen sogar noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Für die Durchführung der Experimente werden zunächst Glasfaser-Preforms in einem an der BAM entwickelten Haspelverfahren ohne nominelle Ondulation hergestellt. Aus diesen Preforms werden anschließend in einem vakuumunterstützten Resin Transfer Molding (RTM)-Prozess die GFK-Probekörper gefertigt.
Bisher wurden die thermoelastischen Eigenschaften und die Festigkeiten des Faser-Kunststoff-Verbundes und der Matrix mit Zug- und Druckversuchen unter paralleler Temperaturlast im Bereich von -60°C bis +80°C ermittelt. Auf der Basis eines Konzeptes zur Berechnung der Matrixbeanspruchung wurde ein Modell zur Bestimmung des Schädigungsbeginns von Laminaten unter quasistatischer thermomechanischer Belastung weiterentwickelt und experimentell validiert.
Im weiteren Verlauf des Projekts wird das Verhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter schwingender Belastung und paralleler Temperaturlast untersucht. Hier wurden bereits Experimente bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit dem Verfahren der Grauwertanalyse ist es dabei möglich, in-situ die Schädigung des Werkstoffs zu messen. Des Weiteren wird das Verhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden unter zyklischer Temperaturlast ohne mechanische Belastung untersucht. Auch hier zeigen sich bereits nach wenigen Lastwechseln erste Zwischenfaserbrüche.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Cyclic fatigue behavior of glass fiber reinforced epoxy resin at ambient and elevated temperatures
(2018)
The fatigue behavior of ±45° glass fiber reinforced epoxy resin under cyclic mechanical and constant thermal loading is investigated in this study. Tests at three different temperature levels in the range 296 K to 343 K have been performed in order to create S-N curves for each temperature level. The specimen damage is measured in-situ using optical grayscale analysis. The characteristic damage state (CDS) is evaluated for each specimen. It is shown that the point of CDS is suitable as a failure criterion to compare the resulting S-N curves. With micromechanical formulations, the temperature-dependent matrix effort is calculated for each stress-temperature level. In terms of matrix effort, the longest fatigue life is reached at high temperatures, while, in terms of stress, the lowest fatigue life is reached at the highest temperatures.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und Windenergieindustrie eingesetzt. Die hier entwickelten Bauteile sind oft nicht nur multiaxialen mechanischen Belastungen, sondern auch hohen klimatischen Beanspruchungen ausgesetzt. Einsatztemperaturen zwischen -60°C und 100°C bei 10-90% relativer Feuchte sind keine Seltenheit, in der Raumfahrt sind die thermischen Belastungen noch extremer. Die Auswirkungen einer Wechselwirkung extremer klimatischer Beanspruchungen mit multiaxialen mechanischen Belastungen wurden bisher kaum betrachtet. Das Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens der Faser-Kunststoff-Verbunde in Abhängigkeit von multiaxialer mechanischer Belastung, Temperatur und Feuchte. Dazu werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an Flach- und Rohrproben sowie numerische und analytische Berechnungen durchgeführt.
Im Rahmen des Seminarvortrags wird eine mikromechanische Modellierung der thermischen Eigenspannungen innerhalb des FKV vorgestellt, welche anhand eines Finite-Elemente-Modells validiert wird. Zur Bestimmung einer Schädigungsgrenze werden verschiedene Energieansätze diskutiert, welche anschließend mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen im Temperaturbereich zwischen -60 °C und 70 °C verglichen werden. Dabei wird gezeigt, dass mithilfe der mikromechanischen Formulierung eine temperaturunabhängige Masterschädigungslinie für quasistatisch belastete Probekörper abgeleitet werden kann. Des Weiteren können Elastizitäten und Festigkeiten in Abhängigkeit der Temperatur mit den mikromechanischen Mischungsregeln bestimmt werden. So kann der experimentelle Aufwand beim Nachweis thermomechanisch belasteter Strukturen reduziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wird für schwingende Ermüdungsbelastung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen diskutiert und experimentell überprüft.
Due to their high strength-to-weight ratio and excellent fatigue resistance, glass fiber reinforced polymers (GFRP) are used as a construction material in a variety of applications including composite high-pressure gas storage vessels. Thus, an early damage detection of the composite material is of great importance. Material degradation can be determined via measuring the distributed strain profile of the GFRP structures. In this article, swept wavelength interferometry based distributed strain sensing (DSS) was applied for structural health monitoring of internal pressure loaded GFRP tube specimens. Measured strain profiles were compared to theoretical calculation considering Classical Lamination Theory. Reliable strain measurements with millimeter resolution were executed even at elongations of up to 3% in the radial direction caused by high internal pressure load. Material fatigue was localized by damaged-induced strain changes during operation, and detected already at 40% of burst pressure.
In this study, the thermomechanical damage behavior of a glass fiber reinforced polymer material is investigated. The coefficients of thermal expansion of the composite as well as the matrix are measured in a wide temperature range. Quasi-static experiments with neat resin, unidirectional and multidirectional laminates are performed as well as fatigue experiments in a temperature range from 213 K to 343 K. This study focusses on the matrix damage due to fiber-parallel loading. A correlation between matrix effort, the dilatational strain energy of the matrix and the damage state of the specimen is demonstrated. It is shown that a fatigue life assessment can be performed with the aid of a temperature-independent master fatigue curve.
Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert.
Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann.
Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich.