Untersuchung numerischer Modelle hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschreibung des dynamischen Faserauszuges

Abstract

Diese Arbeit dient der Untersuchung von numerischen Modellen, welche den dynamischen Faserauszug darstellen. Zur Beschreibung dieses Prozesses wurden numerische Modelle erstellt, die Fasern und Matrizen abbilden. Darüber hinaus wurden Idealisierungsmöglichkeiten des Übergangsbereiches zwischen Faser und Matrix modelliert, wobei Haftung und Reibung eine wesentliche Rolle spielten. Daraus entstanden zwei numerische Modelle, die beide Mechanismen im Übergangsbereich darstellen. Diese Modelle wurden mit analytischen Modellen, sogenannten Shear-Lag-Modellen, verglichen. Wichtige physikalische Größen waren dabei die Schubspannung in der Übergangsfläche zwischen Faser und Matrix sowie deren Partikel-geschwindigkeiten. Die Haftungsmodellierung konnte den Schubspannungsverlauf des Shear-Lag-Modells qualitativ wiedergeben. Des Weiteren konnte durch die Anwendung von rotationssymmetrischen Elementen eine Einsparung von Rechenzeit gegenüber Volumenelementen erreicht werden. Das rotationssymmetrische Modell zur Haftungssimulation wurde mit Parametern aus einem Faserauszugsversuch modifiziert und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Eine charakteristische Kraft-Verschiebungskurve aus dem Versuch konnte nicht reproduziert werden, es zeigte sich, dass die Reaktionskräfte im Modell auf die Faserspitze beschränkt waren. Dies stellt neben einer präziseren Abbildung von Haftung und Reibung einen Ausgangspunkt für weitere Forschungen dar.

This work serves to investigate numerical models that represent the dynamic fiber pullout. In order to describe this process, numerical models that display fiber and matrix were created. Furthermore, idealization possibilities for the interface between fiber and matrix were modelled, where cohesion and friction played an important role. This resulted in two numerical models that depicted both mechanisms in the interface. These models were compared to analytical models, so-called shear-lag-models. Important physical quantities were the shear stress in the interface between fiber and matrix as well as their particle velocities. The cohesion model was able to qualitatively reproduce the shear stress distribution of the shear-lag-model. Furthermore, the use of axisymmetric elements cost less computing time compared to volume elements. The axisymmetric model for adhesion was modified with parameters of a fiber pull-out test and compared to the experimental results. A characteristic force-displacement curve from the experiment could not be reproduced since the reaction forces of the model were limited to the fiber tip. This represents further research possibilities, next to a more precise depiction of cohesion and friction.