Einfluss der Faserarchitektur auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von Geflechtlaminaten

Isabelle Jacqueline Berger

Einfluss der Faserarchitektur auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von Geflechtlaminaten

Translated title of the contribution: The effect of fiber twisting on mechanical behaviour and damage tolerance of biaxial braided composites

Isabelle Jacqueline Berger

Chair of Materials Science and Testing of Polymers (210)

Research output: Thesis › Master's Thesis

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Abstract

The development of simulation models for aircraft components made with biaxial braided carbon fiber composites is limited by an inadequate material property database. Due to the braid properties of an individual design it is very unlikely to find existing data which exactly matches the actual configuration so that material data has to be determined by suitable material tests. This is why the aim of this thesis was to investigate the effect of fiber twisting on me-chanical properties and damage tolerance of a biaxial (±60°) braided carbon fiber epoxy composite. For this purpose specimens with twisted and untwisted yarns were loaded in tension and compression, all of these in both, longitudinal (0°) and trans-versal (90°) test direction. Additionally, standardized compression after impact tests and monotonic shear tests in longitudinal (0°) test direction were done. As expected, the results showed that the investigated tensile and compression properties for the transversal test direction were significantly higher compared to the lon-gitudinal test direction. Concerning the influence of fiber twisting an increase in ten-sile and compression modulus by loading in transversal test direction could be ob-served. For the longitudinal test direction tensile strength values showed a slight increase with increasing yarn twisting. Furthermore compression after impact strengths were found to be less affected by yarn twisting. Based on preliminary shear tests characteristic values of the investigated braid were determined using a modified H-notched specimen.

Translated title of the contribution	The effect of fiber twisting on mechanical behaviour and damage tolerance of biaxial braided composites
Original language	German
Qualification	Dipl.-Ing.
Supervisors/Advisors	Wolfahrt, Markus, Co-Supervisor (external) Pinter, Gerald Gerhard, Supervisor (internal)
Award date	27 Mar 2015
Publication status	Published - 2015

Bibliographical note

embargoed until null

Keywords

biaxial braided composite
fiber twisting
mechanical behaviour
damage tolerance

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VolltextFinal published version, 11.3 MB

Cite this

@mastersthesis{a8d27eba6cb749628ad22e1d43da3720,

title = "Einfluss der Faserarchitektur auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von Geflechtlaminaten",

abstract = "F{\"u}r die Entwicklung analytischer N{\"a}herungsmodelle zur Absch{\"a}tzung des Materialverhaltens von geflochtenen Faserverbundwerkstoffen in Abh{\"a}ngigkeit der Faserarchitektur werden als Inputdaten bestimmte mechanische Kennwerte ben{\"o}tigt. Obwohl diese Werkstoffkennwerte f{\"u}r eine Vielzahl von Geflechtlaminaten mit unterschiedlicher Faserarchitektur bereits vorhanden sind, bedarf es f{\"u}r neu entwickelte Bauteile in der Regel einer umfassenden Materialcharakterisierung zur Bestimmung der erforderlichen Materialdaten. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss der Garndrehung auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von biaxialen Kohlenstofffaser- Epoxidharz- Geflechtlaminaten mit einem Faserwinkel von ±60° zu bestimmen. Hierf{\"u}r wurden sowohl monotone Zug- und Druckversuche in Abzugsrichtung (0°- Pr{\"u}frichtung) und normal zur Abzugsrichtung (90°- Pr{\"u}frichtung), als auch „Compression After Impact“-Tests und monotone Schubversuche in Abzugsrichtung (0°- Pr{\"u}frichtung) durchgef{\"u}hrt. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Geflechtlaminaten mit ungedrehtem und gedrehtem Garn zeigten dabei die erwartete Abh{\"a}ngigkeit der Kennwerte vom Faserwinkel, mit deutlich h{\"o}heren Werten bei Belastung normal zur Abzugsrichtung. Was den Einfluss der Garndrehung anbetrifft, konnte bei Belastung normal zur Abzugsrichtung vorwiegend eine geringf{\"u}gige Zunahme der E- Modulwerte beobachtet werden. Hingegen war bei Belastung in Abzugsrichtung bedingt durch die Garndrehung ein leichter Anstieg der Zugfestigkeit zu erkennen. Hinsichtlich der Restdruckfestigkeit nach Schlagbeanspruchung ergab sich infolge der Garndrehung kein wesentlicher Einfluss auf die Kennwerte. Weiters konnten erste Schubkennwerte anhand von Vorversuchen unter Verwendung einer modifizierten H- Kerbe f{\"u}r das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Geflechtlaminat ermittelt werden.",

keywords = "biaxial braided composite, fiber twisting, mechanical behaviour, damage tolerance, biaxiales Kohlenstofffaser- Epoxidharz- Geflechtlaminat, Faserdrehung, mechanische Eigenschaften, Schadenstoleranz",

author = "Berger, {Isabelle Jacqueline}",

note = "gesperrt bis null",

year = "2015",

language = "Deutsch",

}

TY - THES

T1 - Einfluss der Faserarchitektur auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von Geflechtlaminaten

AU - Berger, Isabelle Jacqueline

N1 - gesperrt bis null

PY - 2015

Y1 - 2015

N2 - Für die Entwicklung analytischer Näherungsmodelle zur Abschätzung des Materialverhaltens von geflochtenen Faserverbundwerkstoffen in Abhängigkeit der Faserarchitektur werden als Inputdaten bestimmte mechanische Kennwerte benötigt. Obwohl diese Werkstoffkennwerte für eine Vielzahl von Geflechtlaminaten mit unterschiedlicher Faserarchitektur bereits vorhanden sind, bedarf es für neu entwickelte Bauteile in der Regel einer umfassenden Materialcharakterisierung zur Bestimmung der erforderlichen Materialdaten. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss der Garndrehung auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von biaxialen Kohlenstofffaser- Epoxidharz- Geflechtlaminaten mit einem Faserwinkel von ±60° zu bestimmen. Hierfür wurden sowohl monotone Zug- und Druckversuche in Abzugsrichtung (0°- Prüfrichtung) und normal zur Abzugsrichtung (90°- Prüfrichtung), als auch „Compression After Impact“-Tests und monotone Schubversuche in Abzugsrichtung (0°- Prüfrichtung) durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Geflechtlaminaten mit ungedrehtem und gedrehtem Garn zeigten dabei die erwartete Abhängigkeit der Kennwerte vom Faserwinkel, mit deutlich höheren Werten bei Belastung normal zur Abzugsrichtung. Was den Einfluss der Garndrehung anbetrifft, konnte bei Belastung normal zur Abzugsrichtung vorwiegend eine geringfügige Zunahme der E- Modulwerte beobachtet werden. Hingegen war bei Belastung in Abzugsrichtung bedingt durch die Garndrehung ein leichter Anstieg der Zugfestigkeit zu erkennen. Hinsichtlich der Restdruckfestigkeit nach Schlagbeanspruchung ergab sich infolge der Garndrehung kein wesentlicher Einfluss auf die Kennwerte. Weiters konnten erste Schubkennwerte anhand von Vorversuchen unter Verwendung einer modifizierten H- Kerbe für das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Geflechtlaminat ermittelt werden.

AB - Für die Entwicklung analytischer Näherungsmodelle zur Abschätzung des Materialverhaltens von geflochtenen Faserverbundwerkstoffen in Abhängigkeit der Faserarchitektur werden als Inputdaten bestimmte mechanische Kennwerte benötigt. Obwohl diese Werkstoffkennwerte für eine Vielzahl von Geflechtlaminaten mit unterschiedlicher Faserarchitektur bereits vorhanden sind, bedarf es für neu entwickelte Bauteile in der Regel einer umfassenden Materialcharakterisierung zur Bestimmung der erforderlichen Materialdaten. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Einfluss der Garndrehung auf die mechanischen Eigenschaften und die Schadenstoleranz von biaxialen Kohlenstofffaser- Epoxidharz- Geflechtlaminaten mit einem Faserwinkel von ±60° zu bestimmen. Hierfür wurden sowohl monotone Zug- und Druckversuche in Abzugsrichtung (0°- Prüfrichtung) und normal zur Abzugsrichtung (90°- Prüfrichtung), als auch „Compression After Impact“-Tests und monotone Schubversuche in Abzugsrichtung (0°- Prüfrichtung) durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen an den Geflechtlaminaten mit ungedrehtem und gedrehtem Garn zeigten dabei die erwartete Abhängigkeit der Kennwerte vom Faserwinkel, mit deutlich höheren Werten bei Belastung normal zur Abzugsrichtung. Was den Einfluss der Garndrehung anbetrifft, konnte bei Belastung normal zur Abzugsrichtung vorwiegend eine geringfügige Zunahme der E- Modulwerte beobachtet werden. Hingegen war bei Belastung in Abzugsrichtung bedingt durch die Garndrehung ein leichter Anstieg der Zugfestigkeit zu erkennen. Hinsichtlich der Restdruckfestigkeit nach Schlagbeanspruchung ergab sich infolge der Garndrehung kein wesentlicher Einfluss auf die Kennwerte. Weiters konnten erste Schubkennwerte anhand von Vorversuchen unter Verwendung einer modifizierten H- Kerbe für das im Rahmen dieser Arbeit untersuchte Geflechtlaminat ermittelt werden.

KW - biaxial braided composite

KW - fiber twisting

KW - mechanical behaviour

KW - damage tolerance

KW - biaxiales Kohlenstofffaser- Epoxidharz- Geflechtlaminat

KW - Faserdrehung

KW - mechanische Eigenschaften

KW - Schadenstoleranz

M3 - Masterarbeit

ER -