Verbund-Werkstoff
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: composite material Kategorie: Level 2 Material
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Verbundwerkstoff
Ein Verbund-Werkstoff in der Simulation ist ein Werkstoff, der aus mehreren verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist. Dazu zählen
- Werkstoffmischungen,
- faserverstärkte Werkstoffe (reinforced material) oder
- geschichtet aufgebaute Werkstoffe (layered composite).
Im Englischen sollte ein Verbund-Werkstoff als "composite" bezeichnet werden. Ein geschichtet aufgebauter Werkstoff sollte dem gegenüber als "layered composite" bezeichnet werden.
Verbund-Werkstoff in der Simulation
Meistens sind Verbund-Werkstoffe heterogen, anisotrop und nichtlinear.
Oftmals wird das Verhalten in erster Näherung als homogenes, gleichmäßiges Material mit isotropen (in alle Raumrichtungen gleichen) Materialdaten abgebildet, die sich anteilig aus den Mischungsbestandteilen ergeben.
Erst wenn einige der Bestandteile der Mischung eine besondere Form oder Ausrichtung haben, wird mehr Aufwand bei der Simulation getrieben. Zum Beispiel sollte bei faserverstärkten Werkstoffen (reinforced material), bei denen feste Fasern in einem weichen Material eingebettet sind, die hohe Festigkeit der Fasern in ihrer Längsrichtung und die geringere Festigkeit des umgebenden Materials in den Quer-Richtungen unterschieden werden. Dann wird der Werkstoff anisotrop simuliert und die Materialwerte der Fasern und des umgebenden Materials getrennt verwendet und abhängig von der Richtung kombiniert. Natürlich ist dies nur sinnvoll, wenn die Fasern eine gleiche Ausrichtung haben, also nicht, wenn die Fasern kurz sind und ungeordnet verschiedene Richtungen haben.
Wenn der Werkstoff aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, indem diese in Schichten aneinander gefügt werden, dann spricht man von einem geschichtet aufgebauten Werkstoff (layered composite).
Beispiele
Beispiele für Verbund-Werkstoffe sind
- Schleifscheiben (Keramik eingebettet in Polymer),
- Hartmetall (Keramik eingebettet in Metall),
- Spanplatten (Holz eingebettet in Polymer) oder
- Polymerbeton (Mineral eingebettet in Polymer).
Ein Beispiel für einen Verbund-Werkstoff ist GLARE für die Wandung eines modernen Verkehrsflugzeugs. Dabei wird eine CFK-Innenhaut (Kunststoff mit eingebetteten Kohlefasern) vorgesehen, ein Kern aus einem sehr leichtem Strukturschaum und eine dünne Außenhaut aus Aluminium. Dieser Verbund-Werkstoff erfüllt die wesentlichen Anforderungen an die Wandung eines Flugzeuges wie
- hohe Biegesteifigkeit durch großes Flächenträgheitsmoment,
- im Schaum können Stringer-Versteifungen eingebettet werden,
- die Aluminium-Außenhaut und der Schaumkern schützen die Innenhaut vor Beschädigungen von außen (Vogelschlag, Unfälle beim Beladen..),
- Schäden der Außenhaut sind an der dünnen Aluminium-Schicht gut erkennbar und detektierbar,
- gute Reparaturmöglichkeiten,
- glatte Außenwandung (keine Nieten) und damit geringer Strömungswiderstand,
- die Aluminium-Außenhaut bietet Blitzschutz, Lackierfähigkeit, Oxidationsschutz.., wirkt als Feuchtebarriere.
Versagen von Verbund-Werkstoffen
Bei der Simulation des Versagens von Verbund-Werkstoffen werden Versagenskriterien verwendet (anstelle der Spannungsgrenzen, die für istotrope Materialien üblich sind).