Ermüdungseinflüsse und -grenzen glasfaserverstärkter Kreuzlaminate unter Very High Cycle Fatigue-Belastung

Kurzfassung Ermüdungseinflüsse und -grenzen glasfaserverstärkter Kreuzlaminate unter Very High Cycle Fatigue-Belastung Hochbelastete Faserverbundstrukturen, wie Rotorblätter von Windkraftanlagen, müssen während ihrer Lebensdauer über 108 Lastwechsel überstehen [1]. Das Ermüdungsverhalten in diesem very high cycle fatigue genannten Bereich ist aufgrund schwieriger Prüfbedingungen bisher nur partiell untersucht. Mit einem speziellen VHCF-Prüfstand werden in dieser Arbeit Einflüsse und Grenzen des Ermüdungsverhaltens von Kreuzlaminaten aus Glasfaserverbunden hinsichtlich der Steifigkeitsdegradation, der Transversalriss- und Delaminationsschädigung untersucht. Dazu werden sieben Versuchsreihen mit verschiedenen Verbundmaterialien, Lagendicken, Spannungsverhältnissen und Belastungsarten betrachtet und miteinander verglichen. Die Arbeiten beginnen mit der Erweiterung des von Adam und Horst [2, 3] entwickelten VHCF-Prüfstands. Durch einen elektromagnetischen Aktuator erreicht dieser hohe Prüffrequenzen bei geringer Selbstermüdung. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Prüfstand zur genaueren Einhaltung der Prüfparameter optimiert und um die Prüffähigkeit variabler Spannungsverhältnisse erweitert. Anschließend werden die Materialkennwerte des im RTM-Verfahren hergestellten Verbunds charakterisiert und die Flachproben auf einem der bis zu sieben Lastniveaus je Versuchsreihe ermüdet. Im Materialvergleich werden die Versuchsreihen von zwei Glasfasern mit unterschiedlicher Faser-Matrix-Anbindung bei der gleichen Epoxidharzmatrix gegenübergestellt. Ebenso wird anhand von zwei Laminaten mit 0,25 mm und 0,5 mm dicken Transversallagen der Einfluss der Schichtdicke ermittelt. Durch Ermüdung unter wechselnder und schwellender Last werden Rückschlüsse auf den Einfluss des Spannungsverhältnisses gezogen. Zuletzt dient der Vergleich zwischen Vierpunktbiege- und Zugermüdung der Ermittlung des Einflusses der Belastungsart. Die Studien zeigen einen Wechsel der Schädigungsverhältnisse von Transversalrissen zu Delaminationen, der durch die erhöhte Fasermatrixanbindung, dickere Lagen und schwellende Belastung ausgelöst wird. In den Untersuchungen zu Ermüdungsgrenzen wird zunächst die Erweiterung der Anrissvorhersage von Hosoi et al. [4] auf die Vierpunktbiegung im VHCF-Bereich überprüft. Des Weiteren werden Ansätze zur Ermittlung einer Risswachstums- und einer Delaminationswachstumgrenze entwickelt. Die gesammelten Erkenntnisse dienen als Nachschlagewerk für Ermüdungseinflüsse im VHCF-Bereich und zeichnen sich durch die detaillierte Betrachtung der Schädigungsparameter aus.
Referenzen [1] C. W. Kensche, “Fatigue of composites for wind turbines,” International Journal of Fatigue 28(10), pp. 1363-1374, 2006. [2] T. J. Adam und P. Horst, „Very high cycle fatigue of fibre-reinforced composites: An alternative experimental approach,“ Proceedings of the 19th Int. Conference on Composite Materials, ICCM19, Montreal, pp. 5012-5021, 2013. [3] T. J. Adam, Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Very High Cycle Fatigue-Bereich, Braunschweig: TU Braunschweig - Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt, 2016. [4] A. Hosoi and H. Kawada, “Fatigue life prediction for transverse crack initiation of cfrp cross-ply and quasi-isotropic laminates,” Materials, 11(7), 2018.