Abstract
This publication describes novel experimental and numerical investigations on the punching failure of carbon fiber-reinforced plastics. This kind of failure is relevant in joining processes as well as a characteristic failure type of mechanical fasteners between metals and carbon fiber-reinforced plastics like rivets or screws. So far, there is a lack of a precise phenomenological description of this failure mode. For this reason, this paper focuses on the experimental analysis of the damage and failure mechanism. As a result, the experiments show a failure evolution without any shearing of the fibers. This provides the basis for the accompanying simulation using the finite element method. Subsequently, the simulation of the experiments demonstrates that a modeling of a punching failure is possible by a combination of known fiber, inter-fiber and delamination failure criteria without extensions.
Kurzfassung
Der Beitrag beschreibt neuartige experimentelle und numerische Untersuchungen zum Stanzversagen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen. Diese Fehlerart tritt besonders häufig bei Fügeprozessen oder als charakteristisches Versagen an mechanischen Verbindungselementen wie Nieten oder Schrauben zwischen Metallen und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff auf. Bisher wurde der Versagensmechanismus dieser Fehlerart noch nicht hinreichend genau beschrieben. Aus diesem Grund wird in dem vorliegenden Beitrag eine experimentelle Analyse der Schädigungs- und Versagensmechanismen vorgenommen. Als ein Ergebnis zeigen die durchgeführten Experimente ein sukzessives Versagensverhalten und kein Abscheren der Fasern. Dieses stellt die Grundlage für die begleitenden numerischen Untersuchungen mittels der Finite-Elemente-Methode dar. Die numerischen Untersuchungen dienen als Nachweis, dass ein Stanzversagen mittels der bekannten Versagenskriterien für Faserbruch, Zwischenfaserbruch und Delamination ohne Erweiterungen abgebildet werden kann.
References
1 M.Knops: Analysis of Failure in Fiber Polymer Laminates, Springer, Berlin Heidelberg, Germany (2008)Search in Google Scholar
2 I. M.Daniel, O.Ishai: Engineering Mechanics of Composite Materials, 2nd Edition, Oxford University Press, New York, USA (2005)Search in Google Scholar
3 H.Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, Springer, London, UK (2007)10.1007/978-3-540-72190-1Search in Google Scholar
4 R. G.Cuntze, R.Deska, B.Szelinski, R.Jeltsch-Fricker, S.Meckbach, D.Huybrechts, J.Kopp, L.Kroll, R.Rackwitz, S.Gollwitzer: Neue Bruchkriterien und Festigkeitsnachweise für unidirektionalen Faserkunststoffverbund unter mehrachsiger Beanspruchung – Modellbildung und Experimente, VDI-Verlag, Düsseldorf, Germany (1997)Search in Google Scholar
5 A.Puck: Festigkeitsanalyse an Faser-Matrix-Laminaten, Hanser, München/Wien (1996)Search in Google Scholar
6 R.Szlosarek, T.Karall, N.Enzinger, C.Hahne, N.Meyer: Mechanical testing of flow drill screw joints between fibre-reinforced plastics and metals, Materials Testing55 (2013), No. 10, pp. 737–74210.3139/120.110495Search in Google Scholar
7 N.Krstulovic-Opara, M. D.Kotsovos: Effect of vertical prestressing on the punching failure, Cement and Concrete Composites15 (1993), No. 3, pp. 131–14210.1016/0958-9465(93)90002-QSearch in Google Scholar
8 J.Kopp: Zur Spannungs- und Festigkeitsanalyse von unidirektionalen Faserverbundkunststoffen, Verlag Mainz, Aachen, Germany (2000)Search in Google Scholar
9 C. A.Coulomb: Essai sur une application des regles des maximis & minimis a quelqes problemes de statique, Mémoires de mathématique et de physique7 (1776), pp. 343–382Search in Google Scholar
10 S. W.Tai, E. M.Wu: A general theory of strength for anisotropic materials, Journal of Composite Materials1 (1971), No. 5, pp. 58–8010.1177/002199837100500106Search in Google Scholar
11 Z.Hashin: Failure criteria for unidirectional fiber composites, Journal of Applied Mechanics47 (1980), pp. 329–33410.1115/1.3153664Search in Google Scholar
12 Y.Liang, H.Wang, C.Soutis, T.Lowe, R.Cernik: Progressive damage in satin weave carbon/epoxy composites under quasi-static punch-shear loading, Polymer Testing41 (2015), pp. 82–9110.1016/j.polymertesting.2014.10.013Search in Google Scholar
13 R.Szlosarek, T.Karall, C.Hahne, A.Berger, N.Meyer, N.Enzinger: Entwicklung eines dreidimensionalen Materialmodells für Faser-Kunststoff-Verbunde mit Hilfe simulationsbegleitender Festigkeitsuntersuchungen an Fließformschraubverbindungen CFK-Aluminium, VDI Fahrzeug- und Verkehrstechnik: SIMVEC 2014 – Simulation und Erprobung in der Fahrzeugentwicklung, VDI-Verlag, Düsseldorf, Germany (2014), pp. 149–168Search in Google Scholar
14 R.Szlosarek: Experimentelle und numerische Untersuchungen zu Fließformschraubverbindungen zwischen Faser-Kunststoff-Verbunden und Aluminium, Doctoral Thesis, TU Graz, Austria (2015)Search in Google Scholar
15 A. F.Johnson, A. K.Pickett, P.Rozycki: Computational methods for predicting impact damage in composite structures, Composite Science and Technology61 (2001), No. 15, pp. 2183–219210.1016/S0266-3538(01)00111-7Search in Google Scholar
16 A.Puck, J.Kopp, M.Knops: Guidelines for the determination of the parameters in Puck's action plane strength criterion, Composite Science and Technology61 (2002), pp. 371–37810.1016/S0266-3538(01)00202-0Search in Google Scholar
© 2016, Carl Hanser Verlag, München
