VDI 2014 Blatt 1-1989 Design and construction of FRP components (fibre reinforced plastics) basics.pdf

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1、DK 678.026: 677.521 : 624.07 VDI-RICHTLINIEN Juli 1989VEREINDEUTSCHERINGENIEUREEntwicklung von Bauteilenaus Faser-Kunststoff-VerbundGrundlagenVDI 2014Blatt 1Design and construction of FRP components(fibre reinforced plastics)BasicsInhalt SeiteVorbemerkung 11 Anwendungsbereich 22 Abkrzungen, Begriffe

2、 und Symbole 23 Verhalten von Faser-Kunststoff-Verbund 44 Eigenschaften der Einzelschicht 55 Eigenschaften des Schichtenverbundes . 96 Ermittlung der ES-Kennwerte 11VorbemerkungDie Richtlinie enthlt Empfehlungen fr das Entwik-keln von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden(FKV), die aus einzelnen

3、faserverstrkten Schichtenbestehen, bei denen Fasern in einer Kunststoff-Matrix eingebettet sind. Die Bauteilentwicklung wirddargestellt, wobei die Berechnungen eingehender behandelt werden. Die RichtUnie will durch Systematisieren und Vereinheitlichen der Bauteilauslegungund -dimensionierung auch di

4、e Zulassungsverfahrenund die Quahttssicherung erleichtern. Sie ist in dreiTeile geghedert:Blatt 1 GrundlagenBlatt 2 Konzeption und BerechnungBlatt 3 Zuverlssigkeit und Sicherheitber die Ausgangswerkstoffe geben Auskunft :VDI 2010 Faserverstrkte ReaktionsharzformstoffeBlatt 1 Grundlagen, Verstrkungsf

5、asernund ZusatzwerkstoffeBlatt 2 Ungesttigte Polyesterharze(UP-Harze)Blatt 3 Epoxidharze (EP-Harze)Fr Bauteile aus Glasfaser-Kunststoff-Verbund(GFK) liegen vor :VDI 2011 Faserverstrkte Reaktionsharzformstoffe; VerarbeitungsverfahrenVDI 2012 Gestalten von Werkstcken aus GFKVDI 2013 Dimensionierung vo

6、n Bauteilen aus GFKV D I - G esel Isc h aft Ku nststofftec h n i kVDI-Handbuch KunststofftechnikPreisgr. 9B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-2- VDI 2014 Blatt 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deuts

7、cher Ingenieure, Dsseldorf 1 9891 AnwendungsbereichDie Richtlinie VDI 2014 Bl. 1 beschreibt Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), die beider Entwicklung von Bauteilen aus solchen Werkstoffen zu bercksichtigen sind. Es wird versucht,das Verhalten des Schichten-Verbundes (SV) auf dieEige

8、nschaften seiner Einzelschichten (ES) zurckzufhren, wobei diese wiederum durch die gewhlteKombination der Ausgangs Werkstoffe Faser undMatrix bestimmt werden. Das Verformungs- undBruchverhalten wird durch die Steifigkeits- und Festigkeitskennwerte beschrieben.Es wird unterschieden zwischen Grenzzust

9、nden desGebrauchs (z.B. Undichtigkeit) und des Tragverhaltens (z.B. Festigkeit).2 Abkrzungen, Begriffe und Symbole2.1 Abkrzungen, BegriffeCFK Kohlenstoffaser-Kunststoff (Carbon-Faser-Kunststoff)CLT klassische LaminattheorieE-Glas GlasfasersorteE-Modul ElastizittsmodulES EinzelschichtEP-Harz Epoxid-H

10、arzFB FaserbruchFKV Faser-Kunststoff-VerbundFVW Faser-Verbund-Werkstoffe mit beliebigerMatrix; bei polymerer Matrix sind gebruchliche Abkrzungen :CFK . . . Carbon-F aser-KunststoffGFK . . . Glasfaser-KunststoffG-ES mit einem Gewebe verstrkte EinzelschichtGFK Glasfaser-KunststoffHM Kohlenstoffasersor

11、te (Hochmodul-)HST, HT Kohlenstoffasersorte (hochfest)IM Kohlenstoffasersorte (mittlerer Modul)ILS interlaminare SchubspannungILSS interlaminare SchubfestigkeitP-ES parallelfaserverstrkte EinzelschichtPEEK Polyetheretherketon (Thermoplast)RFK Aramidfaser-KunststoffR-Glas GlasfasersorteS-Glas Glasfas

12、ersorteSV SchichtenverbundUP-Harz ungesttigtes PolyesterharzUHM Kohlenstoffasersorte (Ultra-Hochmodul-)W-ES mit Wirrfaser verstrkte EinzelschichtZFB Zwischenfaserbruch2.2 Symbole, ZeichenE Zug-Elastizittsmodul der ES parallel zurHauptrichtung (Faserrichtung)“22 Druck-Elastizittsmodul der ES senkrech

13、tzur Hauptrichtung (Faserrichtung)Gl2 Schubmodul parallel/senkrecht zur HauptrichtungK KompressionsmodulB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseld

14、orf 1989 VDI 2014 Blatt 1 -3-N Last- bzw. Schwingspielzahl bei Bruchn Last- bzw. SchwingspielzahlR Widerstand, Verhltnis Unter- zu Oberspannung bei ErmdungFestigkeiten in Faserrichtung (Zug,Druck)Festigkeiten senkrecht zur Faserrichtung (Zug, Druck)Schubfestigkeit parallel/senkrecht zurFaserrichtung

15、MIN-KOS(ES) ES-QuerschnittDZ nd22? 221211*122266125 21(0 90)0/90seil128(PwQ(7Nachgiebigkeitskoeffizienten der ES im(1 ,2)-KoordinatensystemQuerkontraktionszahlen, der erste Index bezeichnet die Richtung der Kontraktion, der zweite die der Spannungsursache1) Zeit2) Dicke des SVKennzeichnung einer SV-

16、FamiUefeste Definition des SV-Aufbaues1) Ausdehnungskoeffizient2) Winkel (Winkel der Faserorientierung)Zug-BruchdehnungBruchgleitungDehnung, VerzerrungF aservolumenanteilF astergewichtsanteilDichteSpannungLOK-KOS(SV)Bild 1 . Beispielefr Doppelindizierungen Schnittflche/Richtunga) Unterscheidung der

17、Koordinatensysteme (KOS)b) Lok- KOS des SVc) Min-KOS der ESMittelebene: z = 0Bild 2. Darstellung eines SV (a) und einer ES (b), und zwareiner P-ES2.3 IndizierungIndizes werden in der Regel tiefer gestellt, z.B.f Faserm MatrixM Moisture (Feuchte)T TemperaturDoppel- und Mehrfachindizes (mehr als zwei)

18、 gehorchen nachstehenden Regeln2.3.1 Ort - Ursache,wobei unter Ort auch eine Vektorkomponente verstanden werden kann, z.B. V212.3.2 Schnittflche - Richtung(vgl. Abschnitt 2.2, z.B.Schnittflchen stehen, falls nicht anders gekennzeichnet, senkrecht auf einer bevorzugten Richtung, inder Regel auf einer

19、 Koordinaten-Richtung :z.B. cTii und Ti2, siehe auch Bild 1 und Bild 2.2.3.3 Zeile - Spalte2.3.4 MehrfachindizierungenDie tiefgestellten Indizes folgen den Regeln 2.3.1 und2.3.2; die hochgestellten Indizes kennzeichnen denGegenstand (z.B. -te Schicht) bzw. die Beanspruchungsart Zug, Druck, Biegung (

20、z, d, b).2.4 Basiswerte, DimensionenKraft NLnge mm, mFlche mm, mSpannung N/mmModul GPa- 10MPa = lON/mmDichte Mg/m ( = g/cm)dimensionslos 0,001 oder l%o (ersteres bevorzugt)Die Zahlenwerte sollten nach dem metrischen Masystem mglichst als Vielfaches von 10, 10, 10“,10“ angegeben werden.B974908A824A67

21、48CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-4- VDI 2014 Blatt 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 9893 Verhalten von Faser-Kunststoff-VerbundIn einem Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) habendie

22、 Fasern in ihrer Lngsrichtung im allgemeineneinen sehr viel hheren Elastizittsmodul und einewesentlich hhere Festigkeit als die Kunststoffmatrix. Hierauf beruht die Verstrkungswirkung derFasern. Ein Schichten verbnd wird aus Einzelschichten aufgebaut. Bei hochbeanspruchten Bauteilenwird der FKV-Aufb

23、au, das heit der Faser- und derMatrix-Typ, die Schichtenfolge und die jeweihgenFaserorientierungen jeweils den besonderen Verhltnissen des Bauteils angepat. Besonders effektiv sinddnnwandig gestaltete Bauteile mit zweiachsigen Beanspruchungen (sogenannten Membranspannungs-zustnden), bei denen Beansp

24、ruchungen allein durchfaserparallele Zugspannungen aufgenommen werdenknnen.In einem mehrschichtigen FKV bilden die Einzelschichten jeweils die Grundelemente. Sie knnen frsich als homogene, anisotrope Kontinua angesehenwerden, die im zweiachsigen Beanspruchungszustandbetrachtet werden drfen.Vernachls

25、sigt man bei Schichten verbunden aus Einzelschichten (ES) die Lastaufnahme der Matrix, sokann angenommen werden, da die Beanspruchungin grober Nherung durch ein Netz, bestehend ausFasern, aufgenommen wird. Diese Vorgehens weise(Netztheorie) ist eine wertvolle Hilfe beim Entwurfvon FKV-Bauteilen. Ein

26、e vollstndigere Beschreibung des Kontinuums, das heit unter Einbeziehungder Lastaufnahme durch die Matrix, fhrt zur klassischen Laminattheorie (CLT)“, mit der - geeignetmodifiziert - auch durch Ribildung geschdigteBauteile beschrieben werden knnen.Einzelschichten (ES) knnen selbst wiederum ausmehrer

27、en Lagen (Teilschichten) bestehen und bildenfr sich strenggenommen einen heterogenen anisotropen FKV. In dieser Richtlinie soll eine solche mikromechanische Modellvorstellung nur in Ausnahmefllen herangezogen werden, wenn beispielsweisedie Verbundeigenschaft aus den Ausgangswerkstoffen Faser und Mat

28、rix oder das Bruchverhalten getrennt in Zwischenfaserbruch (ZFB) und Faserbruch(FB) vorausberechnet werden soll. Ansonsten wirdjede ES makromechanisch als Grundelement idealisiert und fr die Berechnung eines SV als homogenund anisotrop gesehen.Bei dickwandigen FKV-Bauteilen und in Krafteinleitungsbe

29、reichen kann es erforderlich werden, rumliche Spannungszustnde zu betrachten.Bei FKV-Bauteilen lassen sich durch eine rechnerische Vorausbestimmung Verformungen sicherer bestimmen als Versagensgrenzen; deshalb mssen Berechnungen oft durch Belastungs- und Bruchversuche an Probekrpern und Bauteilen ge

30、sttzt werden.Dies gilt besonders bei Stabihttsversagen.Auer der Anisotropie sind bei FKV die Einflsseder Einwirkungszeit von Belastungen und Umgebungsbedingungen zu beachten. Diese Einflsse verndern sowohl die Beanspruchung als auch die Eigenschaften des FKV, zum Beispiel nimmt die Neigung zum Kriec

31、hen und Relaxierenbei Annherung an die Erweichungstemperatur)stark zu, entstehen Eigenspannungen bei Temperatur- undF euchtekonzentrationsnderungen wegen derunterschiedlichen Wrme- und Feuchteausdehnungskoeffizienten von Fasern und Matrix, beeinflussen Temperatur, Feuchtigkeit und Chemikalien auch d

32、ie Festigkeiten, insbesondere diedurch die Matrix dominierten (bei Aramidfasernauch die Faserfestigkeiten).Die Vielfalt der Ausfhrungsformen des FKV gestattet es selten, Werkstoffdaten“ fr den gesamtenSchichtenverbund in der bei metallischen oder anderen isotropen Werkstoffen blichen Form anzugeben.

33、 Ausgehend von der jeweiligen Einzelschicht(ES) knnen nur in speziellen Fllen fr den gesamten Schichtenverbund Werkstoffeigenschaften“ angegeben werden, z.B. bei symmetrisch aufgebautenSchichtenverbunden (SV). Schichten verbnde mssen fr die jeweilige Aufgabe des zu gestaltenden undzu dimensionierend

34、en Bauteils konstruiert“ werden. Das Verformungs- und Bruchverhalten solcherSchichtenverbunde mu von Fall zu Fall mit Hilfeunterschiedlicher Modellvorstellungen oder sonstiger erweiterter Theorien sowie unter Heranziehunggeeigneter Versagenshypothesen und manchmalauch durch zustzliche Versuche ermit

35、telt werden.Bei Bauteilen aus FKV, die auf Wirrfasereinzelschichten (W-ES) aufgebaut sind, knnen nur bereine Variation des Faseranteils in den Einzelschichten (ES) Vernderungen der mechanischen Eigenschaften erzielt werden. Beim Dimensionieren, Berechnen und Nachweisen der Zuverlssigkeit knnensolche

36、 Bauteile wie aus homogenem, isotropemWerkstoff hergestellte behandelt werden. Die dafrbentigten Werkstoffkennwerte sind in der Regelaufgrund vorhegender Meergebnisse und Erfahrungen in Datenblttern vorgegeben. KennzeichnendeEigenschaften und Rechenwerte von Wirrfaser-Kunststoff-Verbunden finden sic

37、h z.B. inDIN 18820).Erweichungstemperatur: bergang vom Glaszustand in denkautschukelastischen Zustand der KunststoffmatrixDIN 18820: Textilglasverstrkte, ungesttigte Polyesterharzefr tragende BauteileTeil 1 : Aufbau, Herstellung und Bemessung,Teil 2: Aufbau, physikalische KennwerteB974908A824A6748CA

38、AAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 989 VDI 2014 Blatt 1 -5-SchichtenVerbundBild 3. Schichtenverbund (SV) bestehend aus Einzelschichten(ES), welche jewe

39、ils aus Faser (Roving, Matte, Gewebe) undMatrix (Harz und Hrter) besteheneBild 4. Spannungs-Dehnungs-Linien von Epoxidharz und verschiedenen Fasern4 Eigenschaften der EinzelschichtDas mechanische Verhalten des aus mehrerenSchichten gleicher oder unterschiedlicher Art bestehenden Schichtenverbundes (

40、SV), Bild 3, wirdbestimmt durch die Eigenschaften der Einzelschichten (ES). Diese wiederum ergeben sich aus den Eigenschaften ihrer Ausgangswerkstoffe Faser undMatrix und deren Verbindung (Grenzflche) miteinander. Die ES mit den gebruchlichsten Verstrkungsarten sind :P-ES parallelfaserverstrkte ES m

41、it parallel in derSchichtebene ausgerichteten endlos“ langenFasern, oft auch UD-Schicht genannt,G-ES gewebeverstrkte ES mit verwobenen oder gewirkten Fasern unterschiedUcher Bindungsarten,W-ES wirrfaserverstrkte ES mit kurzen (einigenMillimeter bis Zentimeter langen), in derSchichtebene nahezu ungeo

42、rdneten Fasern.Steifigkeit (E-Modul) und Festigkeit sind bei der parallelfaserverstrkten Einzelschicht (P-ES) in Faserrichtung am grten, senkrecht dazu sehr viel kleirichtung am grten, senkrecht dazu sehr viel kleiner, Bild 4 und 5. Die entsprechenden Werte derwirrfaser- oder gewebeverstrkten Einzel

43、schichtenliegen dazwischen. E-Modul und Zugfestigkeit verschiedener ES parallel zur Faser, bezogen auf dasspezifische Gewicht, sind dargestellt in Bild 6. DasDiagramm macht deutlich, warum FKV besondersim Leichtbau so attraktiv ist.Bild 5. Typische Spannungs-Dehnungs-Beziehung der P-ES4.1 Kurzzeitbe

44、lastung der Einzelschicht (ES)Steifigkeit und Festigkeit des Faser-Kunststoff-Verbundes (FKV) hngen von der Belastungsgeschwindigkeit und Belastungsdauer ab. Unter Kurzzeitbelastungen werden solche verstanden, die innerhalb vonSekunden bis Minuten zgig aufgebracht und wiederentfernt werden. (Fr schn

45、elle Belastungen siehe Abschnitt 5.5, Stobelastung.)Parallel zur Faser zugbelastet, verhalten sich alle hierbetrachteten P-ES praktisch linearelastisch. Aramid-und Kohlenstoffasern zeigen bei ansteigender Lasteinen zunehmenden, Glasfasern einen abnehmendenE-Modul. Parallel zur Faser druckbelastet we

46、ist z.B.eine aramidfaserverstrkte P-ES nahe der Versagensgrenze, die bei 16% bis 18% der Zugfestigkeit liegt,eine ausgeprgte, degressive Nichtlinearitt auf.Grundstzlich sind die faserparallelen Druckfestigkeiten kleiner als die entsprechenden Zugfestigkeiten.Bei quer zur Faser zug- oder druckbelaste

47、ten P-ESnimmt bei allen Fasern der E-Modul mit zunehmen-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-6- VDI 2014 Blatt 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dijsseldorf 1 989Oq StO AIr-5 10I

48、1520 25Spez. E-Modul in 10 kmBild 6. Spezifische Festigkeit R/gg und spezifischer E-Modul E/gg fr einige P-ES parallel zur Faserrichtung bei Faservolumenanteilen von 0,5 bis 0,7der Last geringfgig ab. Die Festigkeit quer zur Faser ist bei Druckbelastung meistens hher als beiZugbelastung.Parallel/sen

49、krecht zur Faser schubbelastete P-ESund G-ES verhalten sich mit allen Faserverstrkungen mehr oder weniger nichtlinear, da hierbei dieMatrixeigenschaften am strksten zum Tragen kommen, sie dominieren“. Bei Belastungen quer zur Faser und bei Schub treten im allgemeinen Kohsivbr-che der Matrix, Adhsivbrche der Grenzflche