Berechnung von Restspannungen in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen während der Aushärtung

Restspannungen in Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen entstehen während des Aushärtungsprozesses aufgrund von Unterschieden in der thermischen Ausdehnung und der Aushärtungsschrumpfung. Um die strukturelle Integrität und Leistung des Endprodukts zu gewährleisten, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Spannungen berechnet werden können.

Faktoren, die Restspannungen beeinflussen

Mehrere Faktoren beeinflussen die Höhe der Eigenspannungen in Kompositen während der Aushärtung, wie die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, die Aushärtungstemperatur und die Dauer des Aushärtungszyklus, wobei Schwankungen dieser Parameter zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung innerhalb des Materials führen können.

Berechnung der Restspannungen

Die Berechnung umfasst typischerweise das Verständnis der thermischen Belastungen, die beim Abkühlen von der Aushärtungstemperatur auf Raumtemperatur entstehen.

σ = E × ε

wobei E der Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffs und ε die Restdehnung ist; die Restdehnung kann anhand der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Temperaturänderung geschätzt werden:

ε = (α c - α m) × ΔT

Hierbei sind α c und α m die Wärmeausdehnungskoeffizienten für den Verbundwerkstoff bzw. die Matrix und ΔT ist die Temperaturänderung während der Härtung.

Praktische Überlegungen

Eine genaue Berechnung der Eigenspannungen erfordert genaue Materialeigenschaften und Daten aus dem Härtungszyklus. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) wird häufig für detailliertere Modellierungen verwendet, die komplexe Geometrien und Materialverhalten berücksichtigen.

Die Verwaltung von Eigenspannungen beinhaltet die Optimierung der Aushärtungsparameter und der Materialauswahl, um interne Spannungen zu minimieren und Defekte wie Verwerfungen oder Risse zu verhindern.