Vor dem Hintergrund des hohen experimentellen Aufwands in der Nachweisführung für Faserverstärkte Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV) in der Luftfahrt verfolgt das Forschungsvorhaben PROVING (Produktion, Optimierung und Virtuelle Nachweisführung für Generative Fertigungsverfahren) das Ziel, eine verschlankte und robuste Nachweis- und Zulassungsmethodik auf Basis analytischer und numerischer Berechnungsverfahren zu entwickeln. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Berechnungsmethode entwickelt, die es mit minimalem experimentellem Aufwand oder bekannten Kennwerten ähnlicher Materialien ermöglicht, das thermomechanische Verhalten eines Carbonfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs (CFK) in der Nachweisführung zu berücksichtigen.

Für den rechnerischen strukturellen Nachweis von FKV-Komponenten spielt die Kenntnis über den dreidimensionalen in-situ-Spannungszustand innerhalb der Matrix eine wesentliche Rolle. Zu diesem tragen neben den mechanischen Spannungen auch die thermo-mechanischen Eigenspannungen des Verbunds bei, welche durch das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten von Faser- und Matrixmaterial verursacht werden. Im Rahmen des Forschungsvorhaben wurde daher eine Methode entwickelt, mit der anhand mikromechanischer Modelle sowie Finite-Elemente-Analysen am Beispiel eines Prepreg-Materials die Eigenspannungen innerhalb der Matrix rechnerisch ermittelt werden können.

Mittels Mikromechanik werden dabei unter der Berücksichtigung der Anisotropie der Carbonfaser die thermischen Ausdehnungsfunktionen von Faser- und Matrixmaterial analytisch berechnet. Die Eingangsgrößen wurden durch die thermo-mechanische Charakterisierung von UD-CFK-Verbund-Proben experimentell ermittelt. Mittels Finiter-Elemente-Methode werden die thermischen Eigenspannungen der Matrix auf Basis der errechneten Ausdehnungsfunktionen im Verbund bestimmt und mit den analytischen Ergebnissen verglichen. Zur Validierung wurde mit den errechneten Kennwerten die Krümmung von CFK-Proben mit einem asymmetrischen Laminataufbau in Abhängigkeit von der Temperatur in Ansys Workbench 2023 R1 numerisch ermittelt und mit experimentellen Ergebnissen verglichen.