3D failure analysis of UD fibre reinforced composites : Puck’s theory within FEA

Abstract

Unidirectionally fibre reinforced composites (UD FRCs) are an aspiring material where high strength, adjustable stiffness, extraordinary durability and low weight is required. Their layer-wise processing into laminates enables the realisation of complex geometries with locally strongly differing properties. The design concept of integral construction makes use of this feature and combines different tasks in just one component. The increasing proportion of integral components brings significant savings in terms of structural weight and maintenance cost of the overall system. This development is currently opposed by an enormous experimental effort which comes along with the application of FRCs. The dimensioning of FRC laminates in terms of stiffness and strength has only hesitantly been included into efficient, computer-aided design processes. For the threedimensional prediction of failure and post-failure behaviour there is currently no failure theory available, which would have been implemented into a powerful design tool like Finite Element Analysis (FEA) up to application maturity.

Unidirektional faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind überall dort ein zukunftsträchtiges Material, wo hohe Festigkeit, variable Steifigkeit, außerordentliche Haltbarkeit und leichtes Gewicht von Vorteil sind. Ihre schichtweise Verarbeitung zu Laminaten erlaubt es, komplexe Geometrien mit lokal stark unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen. Das konstruktive Konzept der Integralbauweise macht sich diese Fähigkeiten zunutze und vereint so mehrere Aufgaben in einem Bauteil. Der zunehmende Anteil an Integralbauteilen erlaubt bedeutende Einsparungen hinsichtlich Gewicht und Wartungskosten des Gesamtsystems. Dieser Entwicklung steht momentan ein hoher experimenteller Aufwand entgegen, der mit der Verwendung von Faserverbund-Laminaten einher geht. Die Auslegung von Faserverbund-Laminaten hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit hat erst zögerlich Eingang in effiziente, computer-unterstützte Entwurfsprozesse gefunden. Für die dreidimensionale Vorhersage des Versagens- und Nachversagensverhalten steht momentan kein Versagensmodell bereit, das bis zur Anwendungsreife in ein leistungsfähiges Auslegungswerkzeug wie die Finite Elemente (FE) Analyse integriert wäre.