Mehrskala-Validierung von In-situ-Experimenten bis zur numerischen Simulation

In-situ-Dehnung und SEM-Beobachtung

Verwenden Sie das Desktop-Scan-Elektroskop Phenom XL in Kombination mit einem Dehnungsprobenstand, um den Dehnungsprozess in Echtzeit und unter geringem Vakuum zu beobachten. Die Ladegeschwindigkeit beträgt 0,033 mm/min und zeichnet Zug und Verschiebung in Echtzeit auf.

Die Ergebnisse zeigen:

• Die Dehnkurve hat eine elastische Phase - nicht-lineare Phase - schnell brechen drei Phasen;

• Spitzenzug ca. 158 N, entsprechende Dehnung von 0,636 mm, anschließender schneller Ausfall;

• SEM-Videos zeigen den Entstehungs- und Ausdehnungsprozess von Mikrorissen, und Bruchbeordnungen zeigen, dass eine große Anzahl von Fasern ausgezogen und die Schnittstelle entklebt wird, um die zerbrechlichen Bruchteigenschaften des Materials zu bestätigen.

Abbildung 10: In-situ-Zug-Verschiebungskurve

Abbildung 11: Elektroskopbilder der Schnittfläche

Abbildung 12: Scan-Elektroskop-Rahmen-Überlagerung Axialspannungsfeld Eyy

Digitale Bildverwaltung (DIC)

Durchführen Sie eine 2D-DIC-Analyse von SEM-Videos mit der Avizo-Software, um Oberflächenverschiebungs- und Spannungsfelder zu berechnen.

Die Ergebnisse fanden:

• Die Spindelspannung Eyy bildet ein hohes Spannungsband, das um etwa 5° oben geneigt ist;

• Der Riss im Spannungsgarten erweitert sich schnell und führt schließlich zu einem makroskopischen Bruch;

• Das experimentelle Spannungsfeld ist sehr konsistent mit den Ergebnissen der Simulation von Endelementen und bestätigt die Genauigkeit der Modellierungsmethode.

Abbildung 13: Endelement-Gitter im Vergleich zum DIC-Bereich (rotes Feld)

Abbildung 14: Spannungskurve mit Verschiebung

Abbildung 15: Endelement-Simulationsergebnisse für repräsentative Volumenelemente

Numerale Modellierung und Simulation

Modellierung mit der Ansys Workbench-Plattform:

1. Faserorientiertes Spannungseingangsmodell über CT exportiert

2. Erstellen von polygonalen elastischen Materialkarten in Material Designer

3. Zuordnung von Spannungen an ein lokales Koordinatensystem eines Endelement-Gitters zur Veränderung der Materialeigenschaften mit der Faserorientation

Abbildung 16: Materialkarte und Orientierungsspannungsinterpolation

Abbildung 17: Standardproben für die Materialkalibrierung

Abbildung 18: Endmodell des Werkstoffs (Ablehnung und Härtung)

Abbildung 19: Gitter- und Zugeinstellungen für die SFRC-Modellierung

Abbildung 20: Faserorientierte Spannungskartierungsergebnisse

Abbildung 21: Simulation der axialen Spannungsverteilung

Schlussfolgerungen

Die Studie zeigt eine ganzheitliche Methode zur Charakterisierung von Rohstoffen-Recycling, 3D-Druck, Mikrobildgebung bis zur numerischen Modellierung. Durch die Integration von Mikro-CT, Scan-Elektroskopen, DIC und Finite-Element-Analysen ist eine präzise Beschreibung und Leistungsvorhagung von recycelten Kohlefaserverbundstoffen möglich.

Dieser Ansatz fördert nicht nur die industrielle Anwendung von nachhaltigen Verbundwerkstoffen, sondern stellt auch ein Beispiel für prädiktives Materialdesign und grüne Fertigung dar. In Zukunft können Hersteller mit ähnlichen umfassenden Analysemethoden selbstbewusst Komponenten mit hoher Leistung und umweltfreundlichen Eigenschaften entwerfen.