Ermüdungseinflüsse und -grenzen glasfaserverstärkter Kreuzlaminate unter Very High Cycle Fatigue-Belastung

Kurzfassung Ermüdungseinflüsse und -grenzen glasfaserverstärkter Kreuzlaminate unter Very High Cycle Fatigue-Belastung Hochbelastete Faserverbundstrukturen, wie Rotorblätter von Windkraftanlagen, müssen während ihrer Lebensdauer über 108 Lastwechsel überstehen [1]. Das Ermüdungsverhalten in diesem very high cycle fatigue genannten Bereich ist aufgrund schwieriger Prüfbedingungen bisher nur partiell untersucht. Mit einem speziellen VHCF-Prüfstand werden in dieser Arbeit Einflüsse und Grenzen des Ermüdungsverhaltens von Kreuzlaminaten aus Glasfaserverbunden hinsichtlich der Steifigkeitsdegradation, der Transversalriss- und Delaminationsschädigung untersucht. Dazu werden sieben Versuchsreihen mit verschiedenen Verbundmaterialien, Lagendicken, Spannungsverhältnissen und Belastungsarten betrachtet und miteinander verglichen. Die Arbeiten beginnen mit der Erweiterung des von Adam und Horst [2, 3] entwickelten VHCF-Prüfstands. Durch einen elektromagnetischen Aktuator erreicht dieser hohe Prüffrequenzen bei geringer Selbstermüdung. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Prüfstand zur genaueren Einhaltung der Prüfparameter optimiert und um die Prüffähigkeit variabler Spannungsverhältnisse erweitert. Anschließend werden die Materialkennwerte des im RTM-Verfahren hergestellten Verbunds charakterisiert und die Flachproben auf einem der bis zu sieben Lastniveaus je Versuchsreihe ermüdet. Im Materialvergleich werden die Versuchsreihen von zwei Glasfasern mit unterschiedlicher Faser-Matrix-Anbindung bei der gleichen Epoxidharzmatrix gegenübergestellt. Ebenso wird anhand von zwei Laminaten mit 0,25 mm und 0,5 mm dicken Transversallagen der Einfluss der Schichtdicke ermittelt. Durch Ermüdung unter wechselnder und schwellender Last werden Rückschlüsse auf den Einfluss des Spannungsverhältnisses gezogen. Zuletzt dient der Vergleich zwischen Vierpunktbiege- und Zugermüdung der Ermittlung des Einflusses der Belastungsart. Die Studien zeigen einen Wechsel der Schädigungsverhältnisse von Transversalrissen zu Delaminationen, der durch die erhöhte Fasermatrixanbindung, dickere Lagen und schwellende Belastung ausgelöst wird. In den Untersuchungen zu Ermüdungsgrenzen wird zunächst die Erweiterung der Anrissvorhersage von Hosoi et al. [4] auf die Vierpunktbiegung im VHCF-Bereich überprüft. Des Weiteren werden Ansätze zur Ermittlung einer Risswachstums- und einer Delaminationswachstumgrenze entwickelt. Die gesammelten Erkenntnisse dienen als Nachschlagewerk für Ermüdungseinflüsse im VHCF-Bereich und zeichnen sich durch die detaillierte Betrachtung der Schädigungsparameter aus. Referenzen [1] C. W. Kensche, “Fatigue of composites for wind turbines,” International Journal of Fatigue 28(10), pp. 1363-1374, 2006. [2] T. J. Adam und P. Horst, „Very high cycle fatigue of fibre-reinforced composites: An alternative experimental approach,“ Proceedings of the 19th Int. Conference on Composite Materials, ICCM19, Montreal, pp. 5012-5021, 2013. [3] T. J. Adam, Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Very High Cycle Fatigue-Bereich, Braunschweig: TU Braunschweig - Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt, 2016. [4] A. Hosoi and H. Kawada, “Fatigue life prediction for transverse crack initiation of cfrp cross-ply and quasi-isotropic laminates,” Materials, 11(7), 2018. [1] C. W. Kensche, “Fatigue of composites for wind turbines,” International Journal of Fatigue 28(10), pp. 1363-1374, 2006. [2] T. J. Adam und P. Horst, „Very high cycle fatigue of fibre-reinforced composites: An alternative experimental approach,“ Proceedings of the 19th Int. Conference on Composite Materials, ICCM19, Montreal, pp. 5012-5021, 2013. [3] T. J. Adam, Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Very High Cycle Fatigue-Bereich, Braunschweig: TU Braunschweig - Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt, 2016. [4] A. Hosoi and H. Kawada, “Fatigue life prediction for transverse crack initiation of cfrp cross-ply and quasi-isotropic laminates,” Materials, 11(7), 2018. Abstract Fatigue Influences and Limits of Glas Fibre Reinforced Cross-Ply Laminates under Very High Cycle Fatigue Loading Highly loaded fibre composite structures, such as rotor blades of wind turbines, have to withstand more than 108 load cycles during their lifetime [1]. The fatigue behaviour in this range, called very high cycle fatigue, has only been partially investigated so far due to difficult test conditions. Using a special VHCF test rig, the influences and limits of the fatigue behaviour of cross laminates made of glass fibre composites are investigated regarding stiffness degradation, transverse cracking and delamination damage. For this purpose, seven test series with different composite materials, ply thicknesses, stress ratios and loading types are examined and compared with each other. The work starts with the extension of the VHCF test rig developed by Adam and Horst [2, 3]. By using an electromagnetic actuator, high test frequencies with low self-fatigue are archived. Within the scope of this work, the test equipment is optimised for more precise adherence to the test parameters and extended by the test capability of variable stress ratios. Subsequently, the material properties of the composite produced by the RTM process are characterised and the coupon specimens are fatigued at one from up to seven load levels per test series. In the material comparison, the test series of two glass fibres with different fibre-matrix adhesion using the same epoxy resin matrix are compared. The influence of the layer thickness is also determined with two laminates with 0.25 mm and 0.5 mm thick transverse layers. Fatigue under alternating and swelling loads is used to draw conclusions about the influence of the stress ratio. Finally, the comparison between four-point bending fatigue and tensile fatigue serves to determine the influence of the type of loading. The studies show a change in the damage conditions from transverse cracks to delaminations which is triggered by the increased fibre-matrix adhesion, thicker layers and swelling load. In the investigations on fatigue limits, the extension of the crack prediction of Hosoi et al. [4] to four-point bending in the VHCF region is first reviewed. Furthermore, approaches are developed to determine a crack growth limit and a delamination growth limit. The collected findings serve as a reference for fatigue influences in the VHCF range and stand out by the detailed consideration of the damage parameters. References [1] C. W. Kensche, “Fatigue of composites for wind turbines,” International Journal of Fatigue 28(10), pp. 1363-1374, 2006. [2] T. J. Adam and P. Horst, „Very high cycle fatigue of fibre-reinforced composites: An alternative experimental approach,“ Proceedings of the 19th Int. Conference on Composite Materials, ICCM19, Montreal, pp. 5012-5021, 2013. [3] T. J. Adam, Ermüdungsverhalten faserverstärkter Kunststoffe im Very High Cycle Fatigue-Bereich, Braunschweig: TU Braunschweig - Niedersächsisches Forschungszentrum für Luftfahrt, 2016. [4] A. Hosoi and H. Kawada, “Fatigue life prediction for transverse crack initiation of cfrp cross-ply and quasi-isotropic laminates,” Materials, 11(7), 2018.