Beschreibung des Grenzschichtverhaltens eines Aluminium-CFK Hybridbunds mithilfe der Finite Elemente Methode

Hybridverbunde, in denen unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert werden, bieten ein hohes Einsatzpotential im Bereich von Strukturbauteilen, da jede der verwendeten Komponenten eine spezifische Aufgabe übernehmen kann, die auf ihre größten Vorteile abgestimmt ist. Im Leichtbausektor sind dies in den meisten Fällen Aluminium und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Konventionelle Fügetechnologien zur Kombination dieser Werkstoffe sind meist sehr zeitaufwendige Verfahren, wie beispielsweise das Kleben, die hohe Kosten mit sich bringen, oder aber auch nicht lastgerecht, wie der Nietprozess, bei dem das Fasergewebe zusätzlich durch Einbringen von Bohrungen geschädigt wer-den kann. Dies sind nur einige Gründe warum Hybridverbunde nicht in Großse-rie gefertigt werden. Mit der Möglichkeit, diese Verbunde in einem einzigen ur-formenden Fertigungsschritt, wie dem Ein- oder Umgießen von Faserstrukturen mit schmelzflüssigem Aluminium im Hybridguss, herstellen zu können, entfallen viele zusätzliche Arbeitsschritte, wodurch die Attraktivität für Serienanwendun-gen gesteigert wird. Mit der Einführung neuartiger Fügeverfahren ist dabei das mechanische Verhalten des Verbunds und vor allem seiner Fügezone von essen-tieller Bedeutung.
In der vorliegenden Arbeit wurde daher auf Basis von experimentellen und nu-merischen Untersuchungen eine Methodik erarbeitet, mit der zum einen eine vollständige bruchmechanische Charakterisierung des Versagensverhaltens von gießtechnisch hergestellten Hybridverbunden an nicht genormten Probekörpern möglich ist, zum anderen lassen sich im nächsten Schritt virtuelle Experimente zu dem ermittelten Grenzschichtverhalten mithilfe der Finite-Elemente-Methode durchführen, indem die identifizierten Kennwerte für die einzelnen Bruchmodi in einen vorhandenen Schädigungsansatz einer Grenzschicht implementiert wer-den. Hierzu wurden aufwendige Studien zu dem verwendeten Schädigungsan-satz, den dazugehörigen Kenngrößen und weiteren numerischen Einflussgrößen auf das Konvergenzverhalten sowie Modellierungsstrategien zur Modellredukti-on und Einsparung von Rechenzeit durchgeführt.
Der Tatsache begründet, dass komplexe Gussstrukturen während des Abgusses und der Erstarrung lokal unterschiedliche Temperaturbereiche aufweisen,einen lokal unterschiedlichen thermischen Einfluss auf die einzugießende Komponente und damit auf die Grenzschicht haben, können meist nur kleine Probekörper aus diesen Bauteilregionen entnommen werden um lokale Unterschiede des Grenz-schichtverhaltens aufzuzeigen. Die Größe der Proben, ebenso wie ihr asymmet-rischer Aufbau werden dabei in keinerlei Weise den Anforderungen an genorm-te Probekörper gerecht, was eine normgerechte Prüfung dieser ausschließt. Um dennoch die meist kleinen, asymmetrischen Hybridprobekörper bruchmecha-nisch testen zu können, wurden Prüfverfahren identifiziert, die teilweise an ge-normte Methoden angelehnt, teilweise aber auch durch erste Ansätze aus der Li-teratur, Hybridverbunde bruchmechanisch zu charakterisieren, inspiriert wurden. Die Basis für die Auswertung dieser Versuche waren hierbei ebenfalls analyti-sche Lösungsansätze genormter Probekörper, oder erste Ansätze aus der Litera-tur, die auf hybride, asymmetrische Verbindungen übertragen oder auch im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt und angepasst wurden. Um zukünftig numerische Experimente an beliebigen Geometrien mit dem identifizierten Grenzschichtverhalten durchführen zu können, wurden numerische Abbildun-gen der Versuchsgeometrien mithilfe eines Finite-Elemente Programms erstellt, und das Verhalten der Grenzschicht in Form der identifizierten Kennwerte über einen Schädigungsansatz, dem Kohäsivzonenmodell, implementiert. Anhand der numerischen Abbildungen der Versuche wurden einerseits die Wiedergabe-genauigkeit dieser Kennwerte anhand verschiedener Modellierungsstrategien er-probt, andererseits wurde der Einfluss numerischer Größen auf das Konver-genzverhalten der Modelle untersucht. Hierzu wurde das Kraft-Weg-Verhalten der Modelle und weitere Kriterien, wie die Rissinitiierung oder die Änderung der Nachgiebigkeit durch Risswachstum mit denen der Experimente verglichen. Nach aufwendigen Studien an den einzelnen Modellen konnte eine hohe Reali-tätsnähe zu den experimentellen Versuchen erzielt werden. Da diese Modelle und Versuche jedoch nur für die reinen Bruchmodi I und II entwickelt wurden, in denen kein Mischbruchverhalten auftreten sollte, wurde ein weiterer Probekör-per mit Mischbruchverhalten herangezogen, von dem ein numerisches Abbild mit allen gewonnenen Erkenntnissen und Daten erzeugt wurde, um so die Taug-lichkeit des numerischen Ansatzes zur Abbildung des Versagensverhaltens der Struktur zu überprüfen. In einem anschließenden Vergleich konnte erneut eine hohe Genauigkeit zwischen Simulation und Experiment festgestellt werden, was in Kombination mit den identifizierten Maßnahmen zur Modellreduktion zu kur-zen Rechenzeiten führte. Somit konnte in dieser Arbeit ein erster neuer Ansatz einer effizienten Methodik zur Beschreibung des bruchmechanischen Verhaltens hybrider Strukturen aus Aluminium und CFK von der Probenauslegung über die Prüfung und Kennwertermittlung bis hin zur numerischen Simulation mit tiefge-henden Untersuchengen zum Konvergenzverhalten präsentiert werden, anhand derer numerische Experimente mit hoher Genauigkeit durchgeführt und zuver-lässige Prognosen zum Verhalten von Strukturen mit gemischter Beanspruchung gegeben werden konnten.