Geschichteter Werkstoff
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: layered material Kategorie: 
Level 3 Material
Ein geschichteter Werkstoff ist ein Verbund-Werkstoff, bei dem unterschiedliche Materialien in Schichten übereinander angeordnet sind. Die allgemeinen Informationen hierzu zum Beispiel bei wikipedia:Laminat treffen nur bedingt für die Simulation zu.
Im Englischen sollte ein geschichteter Werkstoff als "layered composite" bezeichnet werden. Mit "composite" wird allgemein ein Verbund-Werkstoff gemeint.
Meistens wird durch einen geschichteten Werkstoff eine Wandung (also ein flächiges Bauteil) mit besonderen Eigenschaften geschaffen. Die Wandung wird oftmals mit steifen, festen Außenschichten und einer leichten mittleren Schicht aufgebaut. Dadurch ergibt sich eine hohe Biegesteifigkeit bei geringem Gesamtgewicht. Die leichte mittlere Schicht kann zum Beispiel als Wabenstruktur oder als Schaum ausgeführt sein.
Die äußeren Schichten werden oftmals aus faserverstärktem Werkstoff (reinforced material) hergestellt.
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Simulation
Die Idealisierung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:
- Volumen-Modell: die Schichten werden jeweils als Volumen mit Volumen-Elementen idealisiert. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Schichten sind durch die Materialdaten der Elemente repräsentiert. Durch die gemeinsamen Knoten an den Grenzen zwischen den Schichten wird die mechanische Verbindung sichergestellt. Diese Idealisierung ist dann geeignet, wenn die Abmessungen quer zur Schichtung und in der Ebene gleiche Größenordnungen haben.
- Schalen-Modell: diese Idealisierung ist dann geeignet, wenn die Abmessungen quer zur Schichtung sehr viel geringer sind als die Abmessungen des Bauteils in der Ebene. Dann werden die Schichten zusammengefasst und durch Schalen-Elemente (flach, dünnwandig) idealisiert. Die mechanischen Eigenschaften des geschichteten Werkstoffes werden über die Querschnittsdaten in der Ebene (Fläche, Trägheitsmomente) den Schalen-Elementen zugewiesen.
- Volumen-Schalen-Modell: diese Idealisierung ist eine Zwischenlösung, bei der dickere Schichten als Volumen mit Volumen-Elementen und dünne Schichten mit Schalen-Elementen idealisiert werden.
Bei der Bewertung der Simulations-Ergebnisse wird oft als Versagenskriterium die interlaminare Schubspannung mit einem zulässigen Grenzwert verglichen und damit eine mögliche Delamination untersucht. Die Abbildung rechts zeigt ein Simulationsmodell mit einem geschichteten Werkstoff, bei dem die äußere Schicht durch eine Delamination abgelöst ist.
Zur Beurteilung des Tragverhaltens des geschichteten Werkstoffes werden die Schichten im einzelnen bewertet (First-Ply-Kriterium).
Beispiele
Beispiele für geschichteten Werkstoff sind
- Bimetalle,
- Beschichtungen,
- Klebungen,
- Kupfer-Leiterbahnen auf Trägerplatten,
- ..
Selbststudium
In dem Artikel Simulation of Failure Processes with Cohesive Elements (CADFEM Journal/Infoplaner 2006-1, Seite 44-45) werden die Grundlagen der Versagensmechanismen von geschichteten Werkstoffen dargestellt.
Sonstige Begriffe
Über Werkstoffe finden Sie auch Materialdaten, Anisotropie, Composite, faserverstärkter Werkstoff, geschichteter Werkstoff
Das Cohesive-Zone-Materialgesetz ist geeignet, um die Tragfähigkeit des Schichtverbundes zu simulieren.
