Modellierung des Ermüdungsverhaltens textilverstärkter Kunststoffe

Textile Verstärkungsstrukturen werden aufgrund der hohen Variabilität der Fadenablage, dem erreichbaren hohen Automatisierungsgrad und der guten mechanischen Kennwerte in hochbeanspruchten Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielen hier 3D-Textilverstärkungen mit gestreckter Fadenanordnung etwa in Form von 3D-Geweben, Mehrlagengestricken und -gewirken. Sie bieten neben hervorragenden Steifigkeiten und Festigkeiten durch den in Dickenrichtung angeordneten und den Fadenverbund sichernden Maschenfaden einen hohen Widerstand gegen Delaminationen sowie eine gute Drapierbarkeit. In der Arbeit wird ein neuartiges Degradationsmodell für textilverstärkte Kunststoffe bei zyklischer Belastung auf Basis kontinuums-schädigungsmechanischer Ansätze entwickelt. Dazu wird zunächst die Schädigungsphänomenologie exemplarisch für Glasfaser-Mehrlagengestrickverstärktes Epoxidharz sowohl bei einachsiger als auch erstmals bei frequenz- und phasengleicher mehrachsiger zyklischer Belastung untersucht und klassifiziert. In umfangreichen Versuchsreihen sind belastungsspezifische Schäden - in den bereits für quasistatische Beanspruchung identifizierten Bruchmoden - zu beobachten, die sich in charakteristischer Weise über den Verlauf der zyklischen Belastung aufsummieren und eine deutliche Abhängigkeit von der Belastungsart und -richtung aufweisen. In den mehrachsigen Belastungsversuchen konnte die bislang unbekannte unterschiedliche Kopplung der Zug- und Schubsteifigkeitsverläufe bzw. Druck- und Schubsteifigkeitsverläufe quantifiziert und mit den auftretenden Schädigungsphänomenen korreliert werden. Die zur Kalibrierung des Materialmodells notwendigen Kennwerte und Modellparameter werden anhand von ein- und mehrachsigen Einstufenversuchen durch Auswertung der Spannungs-Dehnungs-Hysterese sowie der Schwingfestigkeitsschaubilder ermittelt. Das Potential der hier vorgenommenen schichtweisen Lebensdauermodellierung unter Berücksichtigung von Schädigungsinitiierung und Schädigungsevolution wird in ausgewählten Validierungsversuchen demonstriert. Neben der realistischen Abbildung des Degradationsverhaltens ist eine sehr gute Vorausberechnung der richtungsabhängigen Restfestigkeit nach zyklischer Belastung möglich. Das hier entwickelte Degradationsmodell liefert damit erstmals die wesentlichen schichtbezogenen Informationen zum Werkstoffzustand während zyklischer Belastung und ist ein essentieller Grundbaustein für die umfassende Lebensdaueranalyse von textilverstärkten Strukturbauteilen.Due to the high variability of the thread placement, the achievable high degree of automation and the good mechanical properties textile reinforcements are used in highly loaded fiber reinforced polymer structures. A specific role is played here by 3D textile reinforcements with stretched thread arrangements, for example in the form of 3D fabrics and multi-layered weft knits. In addition to excellent stiffness and strength, they provide a high resistance to delamination as well as good drapability due to the mesh thread arranged in the thickness direction securing the thread system. In this work a novel degradation model for cyclically loaded textile-reinforced polymers on the basis of continuum damage mechanics approaches is developed. For this purpose, the damage phenomenology is investigated and classified for glass fiber multi-layer weft knit reinforced epoxy resin in uniaxial as well as in-phase multiaxial cyclic loading. In extensive tests load-specific damage can be observed - in the fracture modes already identified for quasistatic stress - which characteristically develop over the course of the cyclic load and show a clear dependence on the type and direction of loading. In the multi-axial load tests, the hitherto unknown coupling of the tensile and shear stiffness or compression and shear stiffness could be quantified and correlated with the occurring damage phenomena. The characteristic values and model parameters necessary for calibrating the material model are determined by means of single- and multi-axial constant amplitude tests by evaluating the stress-strain hysteresis and the S-N curves. The potential of the presented layer-wise fatigue damage model is demonstrated in selected validation experiments. In addition to the realistic modelling of the degradation behaviour, a very good prediction of the direction-dependent residual strength after cyclic loading is achieved. For the first time, the degradation model developed here provides the essential layer-related information on the state of the material during cyclic loading and is an essential building block for the comprehensive lifetime analysis of textile-reinforced composite structures

Validation of An Energy-Based Fatigue Life Model for Fibre Reinforced Plastics Under Different Stress Ratios

The energy-based fatigue model presented in this work overcomes different shortcomings of existing model approaches, such as the need of separated assumptions for constant life diagrams. By using the range of the normalised strain energy density and a probabilistic based mode interaction approach, a failure mode dependent fatigue model for CFRP is established for directly predicting constant life diagrams and calculating the fatigue life for multiaxial loads with constant amplitude. In this contribution, the ply-based model and some of its main features, such as the consideration of residual stresses or of mode interactions at general threedimensional stress states, are shortly summarised. The stepwise model validation on different literature datasets is considered in more detail, including prediction of SN-curves with scatter band and constant life diagrams

Influence of reversed fatigue loading on damage evolution of cross-ply carbon fibre composites

Microcrack formation and delamination growth are the main damage mechanisms in the fatigue of composites. They lead to significant stiffness loss, introduce stress concentrations and can be the origin of subsequent damage events like buckling or fibre breakage, especially in case of shear and compression stresses during load reversal. Fatigue experiments of carbon fibre reinforced laminates were conducted at several stress ratios and analysed in terms of crack and delamination growth. These investigations were accompanied by microscopic imaging, digital image correlation and finite element modelling to take into account the effects of residual stresses and crack closure. It was found that residual stresses significantly change the local stress ratio in off-axis layers and lead to residual crack opening of inter fibre cracks. These cracks remain open and close under high compression loadings only. Furthermore, crack formation under pulsating compression loading turned out to be driven by residual stresses leading to perpendicular cracks as observed under pure tension loading. The experimental findings further confirm the severe detrimental effect of tension-compression loading on crack formation and delamination growth compared to pulsating tension-tension or compression-compression loads

Preclinical electrogastrography in experimental pigs

Surface electrogastrography (EGG) is a non-invasive means of recording gastric myoelectric activity or slow waves from cutaneous leads placed over the stomach. This paper provides a comprehensive review of preclinical EGG. Our group recently set up and worked out the methods for EGG in experimental pigs. We gained our initial experience in the use of EGG in assessment of porcine gastric myoelectric activity after volume challenge and after intragastric administration of itopride and erythromycin. The mean dominant frequency in pigs is comparable with that found in humans. EGG in experimental pigs is feasible. Experimental EGG is an important basis for further preclinical projects in pharmacology and toxicology

Coulomb dissociation of O-16 into He-4 and C-12

We measured the Coulomb dissociation of O-16 into He-4 and C-12 within the FAIR Phase-0 program at GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung Darmstadt, Germany. From this we will extract the photon dissociation cross section O-16(alpha,gamma)C-12, which is the time reversed reaction to C-12(alpha,gamma)O-16. With this indirect method, we aim to improve on the accuracy of the experimental data at lower energies than measured so far. The expected low cross section for the Coulomb dissociation reaction and close magnetic rigidity of beam and fragments demand a high precision measurement. Hence, new detector systems were built and radical changes to the (RB)-B-3 setup were necessary to cope with the high-intensity O-16 beam. All tracking detectors were designed to let the unreacted O-16 ions pass, while detecting the C-12 and He-4

Evaluation and Modeling of the Fatigue Damage Behavior of Polymer Composites at Reversed Cyclic Loading

Understanding the composite damage formation process and its impact on mechanical properties is a key step towards further improvement of material and higher use. For its accelerated application, furthermore, practice-related modeling strategies are to be established. In this collaborative study, the damage behavior of carbon fiber-reinforced composites under cyclic loading with load reversals is analyzed experimentally and numerically. The differences of crack density evolution during constant amplitude and tension-compression block-loading is characterized with the help of fatigue tests on cross-ply laminates. For clarifying the evolving stress-strain behavior of the matrix during static and fatigue long-term loading, creep, and fatigue experiments with subsequent fracture tests on neat resin samples are applied. The local stress redistribution in the composite material is later evaluated numerically using composite representative volume element (RVE) and matrix models under consideration of viscoelasticity. The experimental and numerical work reveals the strong influence of residual stresses and the range of cyclic tension stresses to the damage behavior. On the microscopic level, stress redistribution dependent on the mean stress takes place and a tendency of the matrix towards embrittlement was found. Therefore, it is mandatory to consider stress amplitude and means stress as inseparable load characteristic for fatigue assessment, which additionally is influenced by production-related and time-dependent residual stresses. The phenomenological findings are incorporated to a numerical simulation framework on the layer level to provide an improved engineering tool for designing composite structures

Modellierung des Ermüdungsverhaltens textilverstärkter Kunststoffe

Textile Verstärkungsstrukturen werden aufgrund der hohen Variabilität der Fadenablage, dem erreichbaren hohen Automatisierungsgrad und der guten mechanischen Kennwerte in hochbeanspruchten Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielen hier 3D-Textilverstärkungen mit gestreckter Fadenanordnung etwa in Form von 3D-Geweben, Mehrlagengestricken und -gewirken. Sie bieten neben hervorragenden Steifigkeiten und Festigkeiten durch den in Dickenrichtung angeordneten und den Fadenverbund sichernden Maschenfaden einen hohen Widerstand gegen Delaminationen sowie eine gute Drapierbarkeit. In der Arbeit wird ein neuartiges Degradationsmodell für textilverstärkte Kunststoffe bei zyklischer Belastung auf Basis kontinuums-schädigungsmechanischer Ansätze entwickelt. Dazu wird zunächst die Schädigungsphänomenologie exemplarisch für Glasfaser-Mehrlagengestrickverstärktes Epoxidharz sowohl bei einachsiger als auch erstmals bei frequenz- und phasengleicher mehrachsiger zyklischer Belastung untersucht und klassifiziert. In umfangreichen Versuchsreihen sind belastungsspezifische Schäden - in den bereits für quasistatische Beanspruchung identifizierten Bruchmoden - zu beobachten, die sich in charakteristischer Weise über den Verlauf der zyklischen Belastung aufsummieren und eine deutliche Abhängigkeit von der Belastungsart und -richtung aufweisen. In den mehrachsigen Belastungsversuchen konnte die bislang unbekannte unterschiedliche Kopplung der Zug- und Schubsteifigkeitsverläufe bzw. Druck- und Schubsteifigkeitsverläufe quantifiziert und mit den auftretenden Schädigungsphänomenen korreliert werden. Die zur Kalibrierung des Materialmodells notwendigen Kennwerte und Modellparameter werden anhand von ein- und mehrachsigen Einstufenversuchen durch Auswertung der Spannungs-Dehnungs-Hysterese sowie der Schwingfestigkeitsschaubilder ermittelt. Das Potential der hier vorgenommenen schichtweisen Lebensdauermodellierung unter Berücksichtigung von Schädigungsinitiierung und Schädigungsevolution wird in ausgewählten Validierungsversuchen demonstriert. Neben der realistischen Abbildung des Degradationsverhaltens ist eine sehr gute Vorausberechnung der richtungsabhängigen Restfestigkeit nach zyklischer Belastung möglich. Das hier entwickelte Degradationsmodell liefert damit erstmals die wesentlichen schichtbezogenen Informationen zum Werkstoffzustand während zyklischer Belastung und ist ein essentieller Grundbaustein für die umfassende Lebensdaueranalyse von textilverstärkten Strukturbauteilen.Due to the high variability of the thread placement, the achievable high degree of automation and the good mechanical properties textile reinforcements are used in highly loaded fiber reinforced polymer structures. A specific role is played here by 3D textile reinforcements with stretched thread arrangements, for example in the form of 3D fabrics and multi-layered weft knits. In addition to excellent stiffness and strength, they provide a high resistance to delamination as well as good drapability due to the mesh thread arranged in the thickness direction securing the thread system. In this work a novel degradation model for cyclically loaded textile-reinforced polymers on the basis of continuum damage mechanics approaches is developed. For this purpose, the damage phenomenology is investigated and classified for glass fiber multi-layer weft knit reinforced epoxy resin in uniaxial as well as in-phase multiaxial cyclic loading. In extensive tests load-specific damage can be observed - in the fracture modes already identified for quasistatic stress - which characteristically develop over the course of the cyclic load and show a clear dependence on the type and direction of loading. In the multi-axial load tests, the hitherto unknown coupling of the tensile and shear stiffness or compression and shear stiffness could be quantified and correlated with the occurring damage phenomena. The characteristic values and model parameters necessary for calibrating the material model are determined by means of single- and multi-axial constant amplitude tests by evaluating the stress-strain hysteresis and the S-N curves. The potential of the presented layer-wise fatigue damage model is demonstrated in selected validation experiments. In addition to the realistic modelling of the degradation behaviour, a very good prediction of the direction-dependent residual strength after cyclic loading is achieved. For the first time, the degradation model developed here provides the essential layer-related information on the state of the material during cyclic loading and is an essential building block for the comprehensive lifetime analysis of textile-reinforced composite structures

Modellierung des Ermüdungsverhaltens textilverstärkter Kunststoffe

Textile Verstärkungsstrukturen werden aufgrund der hohen Variabilität der Fadenablage, dem erreichbaren hohen Automatisierungsgrad und der guten mechanischen Kennwerte in hochbeanspruchten Faser-Kunststoff-Verbundstrukturen eingesetzt. Eine besondere Rolle spielen hier 3D-Textilverstärkungen mit gestreckter Fadenanordnung etwa in Form von 3D-Geweben, Mehrlagengestricken und -gewirken. Sie bieten neben hervorragenden Steifigkeiten und Festigkeiten durch den in Dickenrichtung angeordneten und den Fadenverbund sichernden Maschenfaden einen hohen Widerstand gegen Delaminationen sowie eine gute Drapierbarkeit. In der Arbeit wird ein neuartiges Degradationsmodell für textilverstärkte Kunststoffe bei zyklischer Belastung auf Basis kontinuums-schädigungsmechanischer Ansätze entwickelt. Dazu wird zunächst die Schädigungsphänomenologie exemplarisch für Glasfaser-Mehrlagengestrickverstärktes Epoxidharz sowohl bei einachsiger als auch erstmals bei frequenz- und phasengleicher mehrachsiger zyklischer Belastung untersucht und klassifiziert. In umfangreichen Versuchsreihen sind belastungsspezifische Schäden - in den bereits für quasistatische Beanspruchung identifizierten Bruchmoden - zu beobachten, die sich in charakteristischer Weise über den Verlauf der zyklischen Belastung aufsummieren und eine deutliche Abhängigkeit von der Belastungsart und -richtung aufweisen. In den mehrachsigen Belastungsversuchen konnte die bislang unbekannte unterschiedliche Kopplung der Zug- und Schubsteifigkeitsverläufe bzw. Druck- und Schubsteifigkeitsverläufe quantifiziert und mit den auftretenden Schädigungsphänomenen korreliert werden. Die zur Kalibrierung des Materialmodells notwendigen Kennwerte und Modellparameter werden anhand von ein- und mehrachsigen Einstufenversuchen durch Auswertung der Spannungs-Dehnungs-Hysterese sowie der Schwingfestigkeitsschaubilder ermittelt. Das Potential der hier vorgenommenen schichtweisen Lebensdauermodellierung unter Berücksichtigung von Schädigungsinitiierung und Schädigungsevolution wird in ausgewählten Validierungsversuchen demonstriert. Neben der realistischen Abbildung des Degradationsverhaltens ist eine sehr gute Vorausberechnung der richtungsabhängigen Restfestigkeit nach zyklischer Belastung möglich. Das hier entwickelte Degradationsmodell liefert damit erstmals die wesentlichen schichtbezogenen Informationen zum Werkstoffzustand während zyklischer Belastung und ist ein essentieller Grundbaustein für die umfassende Lebensdaueranalyse von textilverstärkten Strukturbauteilen.Due to the high variability of the thread placement, the achievable high degree of automation and the good mechanical properties textile reinforcements are used in highly loaded fiber reinforced polymer structures. A specific role is played here by 3D textile reinforcements with stretched thread arrangements, for example in the form of 3D fabrics and multi-layered weft knits. In addition to excellent stiffness and strength, they provide a high resistance to delamination as well as good drapability due to the mesh thread arranged in the thickness direction securing the thread system. In this work a novel degradation model for cyclically loaded textile-reinforced polymers on the basis of continuum damage mechanics approaches is developed. For this purpose, the damage phenomenology is investigated and classified for glass fiber multi-layer weft knit reinforced epoxy resin in uniaxial as well as in-phase multiaxial cyclic loading. In extensive tests load-specific damage can be observed - in the fracture modes already identified for quasistatic stress - which characteristically develop over the course of the cyclic load and show a clear dependence on the type and direction of loading. In the multi-axial load tests, the hitherto unknown coupling of the tensile and shear stiffness or compression and shear stiffness could be quantified and correlated with the occurring damage phenomena. The characteristic values and model parameters necessary for calibrating the material model are determined by means of single- and multi-axial constant amplitude tests by evaluating the stress-strain hysteresis and the S-N curves. The potential of the presented layer-wise fatigue damage model is demonstrated in selected validation experiments. In addition to the realistic modelling of the degradation behaviour, a very good prediction of the direction-dependent residual strength after cyclic loading is achieved. For the first time, the degradation model developed here provides the essential layer-related information on the state of the material during cyclic loading and is an essential building block for the comprehensive lifetime analysis of textile-reinforced composite structures

Experimental Analysis of Matrix Cracking in Glass Fiber Reinforced Composite Off-Axis Plies under Static and Fatigue Loading

The inter-fiber failure of glass fiber-reinforced epoxy specimens with four different fiber angles was analyzed. Flat specimens were subjected to static and fatigue loading considering different load levels and load ratios. Damage investigation in terms of crack density measurement was performed by transmitted white light imaging using a digital camera and LED illumination from the back of the specimen on a servo-hydraulic testing machine. Static and fatigue results were examined with respect to crack initiation and crack growth, considering the special case of bonding yarns parallel to the fiber directions. The bonding yarns act as stress concentrations, influencing the early cracking behavior, and complicate the detectability of cracks growing underneath or next to the bonding yarns. In cyclic loading, the influence of load level, load ratio, mean stress, fiber orientation, and ply thickness was the focus of the experimental campaign. Cyclic cracking behavior in terms of initiation and growth was analyzed based on the applied loading conditions and laminate configurations. It was found that halving the ply thickness nearly doubled the amount of microcracks in case of high loads. For low loads, no such effect was observed up to 5×105 loading cycles. Experimental findings on individual crack growth confirmed that crack interaction started for crack spacings less than four times the ply thickness and that subsequent crack growth shifted into regions of larger local crack spacing