Fuzzy-stochastische Methoden für die polymorphe Unschärfemodellierung von Leichtbaustrukturen

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Zusammenfassung

Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojekts ist die in der ersten Förderperiode entwickelten polymorphen Unschärfemodelle in den Lebenszyklus hybrider Leichtbaustrukturen zu übertragen. Insbesondere wird die Herstellung sowie die Nutzung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in Hybridsystemen untersucht. Während des Herstellungsprozesses ist die Aushärtung der Matrix ein dominierender Effekt, da sie stark temperaturabhängig ist und die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften von FVK stark beeinflusst. Während der Nutzung sind Schädigungen und Versagen, die sich beipielsweise durch wiederholtes Belasten oder Crash ergeben, dominant. Die Betrachtung beider Zyklen, also der Herstellung und der Nutzung kann auf unterschiedlichen Größenskalen erfolgen. Die gesamte Modellierung von der Herstellung bis zur Nutzung wird mit einem Drei-Skalen Modell, welches Aushärtung und Schädigungen in Kombination mit polymorpher Unschärfe berücksichtigt, umgesetzt. Dieses Modell wird eingesetzt, um effektive Eigenschaften von einer Skala zur nächst höheren zu ermitteln.

Für die Aushärtung der Matrix werden Unschärfen aus bereits vorhandenen experimentellen Daten quantifiziert. Durch geeignete fuzzy-stochastische Homogenisierungsmethoden werden die polymorph unscharfen effektiven Eigenschaften der Matrix nach der Aushärtung bestimmt. Mit weiterer Kenntnis der Fasereigenschaften kann, durch geeignete fuzzy-stochastische Homogenisierungsmethoden, der Verbund für eine höhere Skalenebene charakterisiert werden. Die erhaltenden effektiven Parameter werden mit vorhanden experimentellen Daten des Verbundes verglichen. Um nicht nur die Unschärfen des Verbundes, sondern auch Abhängigkeiten einzelner Parameter zu untersuchen, werden zusätzlich biaxiale Versuche durchgeführt.

Um die bauteilnahe Beanspruchung während der Nutzung realitätsnah abzubilden und um unschärfebehaftete Versagensmechanismen innerhalb der genannten Skalen zu berücksichtigen, wird eine geeignete Methode entwickelt. Für die Unschärfequantifizierung von Schädigungsparametern werden bereits vorhandene heterogene Daten als Basis verwendet. Um komplexe Strukturen für die Validierung des Modells zu berücksichtigen, werden die entwickelten fuzzy-stoschastischen Methoden zu einer Finite Elemente Formulierung erweitert. Für den Vergleich werden bereits vorhandene experimentelle Ergebnisse für ein Hutprofil herangezogen.

 

abstract

The overall aim of the research project is to transfer the polymorphic uncertainty models developed in the first funding period into the life cycle of hybrid lightweight structures. In particular, the manufacturing as well as the subsequent use during service time of fiber reinforced plastics (FRPs) in hybrid systems are investigated. During the manufacturing process curing of the matrix is a dominant effect as it is highly temperature dependent and influences strongly the mechanical, thermal and chemical properties of FRPs. During the service time damage and failure are dominant effects, resulting e.g. from repeated loading or crash. The modeling of both, the manufacturing process and the subsequent use during service time can be done on different scales. The entire modeling from manufacturing to service time is implemented using a three-scale model that takes into account curing and damage combined to polymorphic uncertainty. This model is applied to determine effective properties from one scale to the next higher. Uncertainties are quantified from already existing experimental data.

Suitable fuzzy-stochastic homogenization methods determine the polymorphic uncertain effective properties of the matrix after curing. In combination with the properties of the fibers macro scale effective parameters are obtained for the composite by suitable fuzzy-stochastic homogenization methods. These effective parameters are compared with existing experimental data of the composite. In order to investigate not only the uncertainty of the composite, additional biaxial tests will be performed in order to investigate dependencies of individual parameters of the composite.

In order to adequately represent real loading conditions during the service time, uncertain failure mechanisms by use of homogenization methods are taken into account. As a starting point, existing heterogeneous data will be used to quantify uncertainty in damage parameters. In order to consider complex structures for the validation of the model, the developed fuzzy-stoschastic methods are extended to a finite element formulation. For comparison already existing experimental results are used for a top hat profile.

 

Veröffentlichungen

Förderinstitution

DFG, SPP 1886, GZ: MA 1979/25-2