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Konstruieren mit Faserverbundwerkstoffen (Fach) / Festigkeit (Lektion)

Entsprechende Fragen aus der Fragensammlung, die schriftlich beantwortet werden können

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  • Warum spricht man von einem „gutmütigen Versagen“ bei Faserverbundwerkstoffen, obwohl die Matrix und die Fasern beide spröde Werkstoffe sind? Da Faserverbundwerkstoffe nicht mit einem Mal versagen sondern Stück für Stückgeschwächt werden, bevor sie komplett versagen. Dies geschieht, da erst einzelne Fasern reißen/brechen und sich der Schaden Stück für Stück durch das Bauteil zieht.Die Grenze zu erstem Versagen ist gut hörbar ("Knistergrenze")
  • Warum sind die berechneten Festigkeiten meist größer als die gemessenen Festigkeiten? - Da Fertigungsfehler einen großen Einfluss auf die Materialgüte haben und ebenfallsMaterialfehler schwer zu vermeiden sind. z.B. Lufteinschlüsse, nicht optimaleFaserausrichtung, nicht perfekte Einzelfasern - ungleichmäßiges Tragen (unterschiedliche Ausrichtung und Vorspannung) - Festigkeitsstreuung der Einzelfilamente
  • Durch welche Maßnahmen wird die Druckfestigkeit in Faserlängsrichtung erhöht? - Fertigung     - Faserorientierung streng in Belastungsrichtung     - ohne Welligkeiten- keine textile Konstruktion (Gewebe, Zwirne)- Bauteilränder     - ohne Kanten, da keine zweiseitige Stützung     - besser abrunden- Löcher vermeiden     - lokale Spannungserhöhung     - freie Kanten ohne Stützung- keine Druckbelastung an Stirnseiten (Laminat splittert auf)- Durchmesser der Fasern erhöhen (erhöht Biegesteifigkeit der Faser)- Matrixsteifigkeit erhöhen     - insbesondere Schubsteifigkeit     - Druckfestigkeit steigt prop. mit Schubf. der Matrix- Faser-Matrix Haftung verbessern- Faservolumengehalt nicht zu groß
  • Durch welche Maßnahmen wird die Zugfestigkeit in Faserlängsrichtung erhöht? - Faservolumenanteil erhöhen (max 0,65)- Bruchdehnung der Matrix doppelt so groß wie die Bruchdehnung der Faser- dünnere Fasern (Fasernparadoxon)
  • Erläutern Sie den Begriff „Kink Zone“, wie entsteht sie?  "Kink Zones" sind Bereiche in denen Schubknicken auftritt. Dies passiert durchLängs-Druck-Beanspruchung fehlende Längs-Druck-Festigkeit durch- lokale Faser-Fehlorientierung- zu geringe Schubsteifigkeit der Matrix
  • Was bedeutet Schubknicken in Laminatebene und aus der Laminatebene heraus? in Laminatebene:  lokales ausknicken des Laminats aus Laminatebene:   Knick der Parallelverschiebung des Laminates zur Laminatebene hinter dem Knick zurfolge hat
  • Nennen Sie sechs Basisfestigkeiten einer UD-Schicht. - Zug- und Druckfestigkeit in Faserrichtung- Zug- und Druckfestigkeit rechtwinklig zu Faserrichtung- Schubfestigkeit in Faser-Faserrechtwinklig-Richtung- Schubfestigkeit in Faserrechtwinklig-Faserrechtwinklig-Richtung
  • Was ist der Unterschied zwischen Faserbruch und Zwischenfaserbruch? Faserbruch: Bruch der FasernZwischenfb: Bruch in der Matrix zwischen den Fasern oder in der Grenzfläche. (ggf. Delamination zur Folge) (S.84)
  • Wofür sind Borde bei einer Schlaufenverbindung erforderlich? Damit es nicht zum abscheren durch Druckkräfte kommt (zB. Keilbruch) siehe Bild Folie 44
  • Was ist eine Delamination und wodurch kann sie entstehen? Trennungsbruch zwischen den Schichten. Durch: - interlaminare Spannungen- interlaminare Schubspannungen durch:     - Querkräfte     - Zwischenfaserbrüche in 90° Schichten     - Schlagbelastungen     - Randspannungen
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  • Erläutern Sie den Begriff „Knie“ in einem Mehrschichtverbund. erster Zwischenfaserbruch in 90° Schicht (durch Querzugbelastung) Steifigkeitsverlust ab KnistergrenzeTotalversagen erst durch Faserbruch in 0° Schichten siehe Folie 59
  • Was bedeuten die Abkürzungen FPF und DLF? FPF:    First Ply FailureDLF:    Degraded Laminate Failure +Bild auf Folie 69
  • Von welchen zwei Einflussgrößen ist die Längsdruckfestigkeit abhängig und wie kann sie verbessert werden? abhängig von: - Faserfehlorientierung- Schubfestigkeit der Matrix erhöhen durch: - statt Gewebe UD- Prepregs statt Handauflege- Fertigung mit Zugspannung der Fasern- Löcher vermeiden- Bauteilränder ohne Kanten siehe Folie 21
  • Wie kann die Druckfestigkeit eines UD-Laminates erhöht werden? -Prepregs besser als Handauflegeverfahren- Fasern straff in Belastungsrichtung orientieren/Fertigung mit Zugspannung in den Fasern- Durchmesser der Fasern erhöhen- Matrixsteifigkeit erhöhen (insbes. Schupsteifigkeit)- Faser-Matrix-Haftung verbessern- Faservolumengehalt nicht zu groß
  • Wie kann die Gefahr von Delaminationen verringert werden? - Risswiderstand zwischen den Schichten erhöhen     - zähmodifizierte Matrix     - zähe Thermoplastzwischenschichten- Verstärkung in Laminatrichtung     - 3D-Gelege     - vernähen     - z-Pins, UD-CFK Stäbchen einstechen                  Verhindern nicht Delamination aber stoppen Ausbreitung
  • Wie viel größer werden die lokalen Spannungen bei Löchern in quasi-isotropen Laminaten, die durch Normal- bzw. Schubspannungen in Laminatebene belastet werden? - Normalspannungen - Schubspannungen - Normalspannungen Faktor 3 und mehr- Schubspannungen Faktor 4 ( Spannungserhöhung Faktor 3 Folie 31)
  • Wann wird der „Bruchwiderstand der Wirkebene“ unendlich groß? - wenn Wirkebene und Bruchebene nicht zusammen fallen (zB. bei Beanspruchung durch Querdruck ) Der Bruchwiderstand kann unendlich groß werden, wennder Bruch nicht in der Wirkebene sondern wo anders erfolgt Folie 36
  • Nennen Sie drei Bruchkriterien ohne Berücksichtigung der Bruchart. - Tsai-Wu- Tsai-Hill- Hoffmann
  • Nennen Sie vier Bruchkriterien mit Berücksichtigung der Bruchart. Welche davon sind interaktiv und welche nicht? nicht interaktiv: - Max strain- Max stress interaktiv: - Hashin- Puck
  • Wieso wird zwischen Spannungen und Beanspruchungen bei Faserverbundwerkstoffen unterschieden? Spannung gemäß Raumrichtung (σ1, σ2,...) Beanspruchung gemäß Faser (Längs/Quer)    (σII+, σ⊥-,...)
  • Beschreiben Sie die Begriffe Bruchebene und Wirkebene an dem Beispiel einer Druckbelastung senkrecht zu den Fasern einer UD-Schicht. Bruchebene: die Ebene in der Bruch stattfindet Wirkebene: Ebene in der eine einzel wirkende Beanspruchung maximal wird. siehe Folie 39
  • Unter welchen Winkeln bricht jeweils eine UD-Schicht bei - Querdruckbelastung und bei - Quer-Quer Schubbelastung? - Querdruckbelastung:           52°-53°     S.40 - Quer-Quer Schubbelastung: 45°           S.48
  • Was bedeutet „Berücksichtigung von Interaktionen zwischen Spannungen“ bei Bruchkriterien? Zusammenspiel der Spannungen, darf Versagenskriterien nicht überschreiten Beispiel: vgl. Hashin,siehe Folie 100

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