VDI 2014 Blatt 3-2006 Development of Fibre-Reinforced Plastics components - Analysis.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREEntwicklung von Bauteilenaus Faser-Kunststoff-VerbundBerechnungenDevelopment of FRP components(fibre-reinforced plastics)AnalysisVDI 2014Blatt 3 / Part 3Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Gesellschaft KunststofftechnikVDI-Handbuch KunststofftechnikVDI-Handbuch Ko

2、nstruktionVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available at Beuth VerlagGmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2006Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedDie

3、 deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 59.100, 83.140.20 September 2006No guarantee can be given with respect to the English transla-tion. The German version of this guideline shall be taken asauthoritative.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Anwendungs

4、bereich . . . . . . . . . . . . . 42 Abkrzungen, Begriffe, Symbole,Indizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Berechnungsablauf . . . . . . . . . . . . . . 143.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . 143.2 Auslegungsphilosophie . . . . . . . . . . 163.3 Berechnungsprogramme . . . . . .

5、 . . . 174 Modellierung der Schicht. . . . . . . . . . . 184.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . 184.2 Eben beanspruchte Schicht . . . . . . . . 204.2.1 UD-Schicht (faserparalleles KOS) 204.2.2 G-Schicht und M-Schicht . . . . . 224.2.3 Drehung der UD-Schicht in dasLaminat-KOS . . . . . . .

6、 . . . . 234.2.4 Bercksichtigung der Schub-spannungen aus Querkraft beiUD-Schichten . . . . . . . . . . . 244.3 Rumlich beanspruchte Schichten . . . . 254.3.1 Mechanische Beanspruchung(faserparalleles KOS) . . . . . . . 254.3.2 Mechanische Beanspruchung einerUD-Schicht (gedrehtes KOS) . . . 274.4 Ei

7、nfluss von Beanspruchungsarten/-dauer 284.4.1 Kurzzeitbeanspruchung . . . . . . 284.4.2 Ruhende Langzeitbeanspruchung . 284.4.3 Schwingbeanspruchung . . . . . . 324.4.4 Stobeanspruchung . . . . . . . . 334.5 Festigkeitskriterien . . . . . . . . . . . . 334.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . 344

8、.5.2 Bruchbedingungen frUD-Schichten . . . . . . . . . . . 384.5.3 G-Schicht. . . . . . . . . . . . . . 464.5.4 M-Schicht . . . . . . . . . . . . . 474.5.5 Einzusetzende Festigkeitswerte . . 48Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Scope . . . . . . . . . . . . . . . . .

9、 . . . . 42 Abbreviations, terminology, symbols,superscripts and subscripts . . . . . . . . . 53 Analytical procedure . . . . . . . . . . . . . 143.1 General comments . . . . . . . . . . . . . 143.2 Design philosophy . . . . . . . . . . . . . 163.3 Computer programs . . . . . . . . . . . . 174 Model

10、ling the lamina . . . . . . . . . . . . . 184.1 General comments . . . . . . . . . . . . . 184.2 Two-dimensionally loaded lamina . . . . . 204.2.1 UD lamina (parallel-to-fibre COS) . 204.2.2 WF lamina and M lamina. . . . . . 224.2.3 Rotation of the UD laminainto the laminate COS . . . . . . . 234.2.

11、4 Inclusion of shear stresses from transverse forces in case of UD laminae . . . . . . . . . . . . . 244.3 Laminae subject to three-dimensionalloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3.1 Mechanical loading (parallel-to-fibre COS) . . . . . . . 254.3.2 Mechanical loading of a UD lamina(rota

12、ted COS) . . . . . . . . . . . . 274.4 Influence of loading type and duration . . 284.4.1 Short-term load . . . . . . . . . . . 284.4.2 Long-term static load . . . . . . . . 284.4.3 Cyclic load . . . . . . . . . . . . . 324.4.4 Impact load . . . . . . . . . . . . . 334.5 Strength criteria . . . . .

13、. . . . . . . . . 334.5.1 General comments . . . . . . . . . 344.5.2 Fracture conditions forUD lamina . . . . . . . . . . . . . 384.5.3 WF lamina . . . . . . . . . . . . . 464.5.4 M lamina . . . . . . . . . . . . . . 474.5.5 Strength values to be used . . . . . 48Frhere Ausgabe: 04.97 Entwurf,deutsc

14、hFormer edition: 04/97 Draft; in German onlyB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20062 VDI 2014 Blatt 3 / Part 3Part 3Seite4.6 Anwendung

15、 von Berechnungs-programmen. . . . . . . . . . . . . . . . . 484.6.1 UD-Schicht . . . . . . . . . . . . . 484.6.2 G-Schicht . . . . . . . . . . . . . . 505 Modellierung des Laminates. . . . . . . . . 505.1 Ermittlung von Spannungen und Verzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . . 515.1.1 Netztheorie

16、. . . . . . . . . . . . . . 515.1.2 Klassische Laminattheorie (CLT) . . 575.1.3 Interlaminare Spannungen (ILS) . . 635.1.4 Bercksichtigung der Verzerrungaus Schubspannungen durchQuerkraft. . . . . . . . . . . . . . . 705.1.5 Behandlung von Kerben. . . . . . . 715.2 Schichtenweise Bruchanalyse . . .

17、. . . . 745.2.1 Grundstzliche Betrachtungen . . . 745.2.2 Nichtlineare Spannungsanalyse vor dem ZFB . . . . . . . . . . . . . . . 755.2.3 Kontinuierliche Modulabminderung(Degradation) nach dem ZFB . . . . 795.2.4 Auswirkung von FB . . . . . . . . . 835.2.5 Vereinfachungen und selektive Nachprfung .

18、. . . . . . . . . . . . 835.2.6 Manahmen zur zielgerichteten Verbesserung von Laminaten . . . . 845.3 Anwendung der schichtenweisen Bruch-analyse fr verschiedene Beanspruchungs-arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3.1 Kurzzeitbeanspruchung . . . . . . . 855.3.2 Langzeitbeanspruchung . .

19、 . . . . . 855.4 Schwingbeanspruchte Laminate . . . . . . 915.4.1 Schdigungsvorgnge . . . . . . . . 915.4.2 Darstellung von Schwingfestigkeits-ergebnissen. . . . . . . . . . . . . . 945.4.3 Bauteilbelastungsgeschichte. . . . . 985.4.4 Methoden der Schwingfestigkeits-analyse . . . . . . . . . . . . .

20、 . . . 995.4.5 Auslegungshinweise. . . . . . . . . 1015.5 Anwendung von Berechnungs-programmen. . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.5.1 Laminat-Analyseprogramme . . . . 1005.5.2 FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.5.3 Berechnung des Streckungsfak-tors der lastbedingten Spannungen bei gleichz

21、eitig vor-handenen Eigenspannungen. . . . . 1046 Bauteilberechnung . . . . . . . . . . . . . . 1076.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2 Stabilittsberechnungen. . . . . . . . . . . 1096.2.1 Knicken von Stben . . . . . . . . . 1116.2.2 Beulung ebener Platten . . . . . . . 1126.2.3 B

22、eulung zylindrisch gekrmmterFlchentrger . . . . . . . . . . . . . . 1156.2.4 Anmerkungen . . . . . . . . . . . . . . 1226.2.5 Berechnungen mit FEM . . . . . . . . . 124fSLPage4.6 Application of calculation programs . . . 484.6.1 UD lamina . . . . . . . . . . . . . 484.6.2 WF lamina . . . . . . . . .

23、 . . . . 505 Modelling the laminate. . . . . . . . . . . . 505.1 Determining stresses and strains. . . . . . 515.1.1 Netting theory . . . . . . . . . . . 515.1.2 Classical laminate theory (CLT) . . 575.1.3 Interlaminar stresses (ILS) . . . . . 635.1.4 Taking into account thestrains arising from shea

24、r stresses due to transverse forces. . . . . . . 705.1.5 Treatment of notches . . . . . . . . 715.2 Lamina-by-lamina fracture analysis . . . . 745.2.1 Fundamental aspects . . . . . . . . 745.2.2 Non-linear stress analysis before IFF. . . . . . . . . . . . . . 755.2.3 Continuous modulus reduction (de

25、gradation) after IFF . . . . . . . 795.2.4 Effect of FF . . . . . . . . . . . . . 835.2.5 Simplification and selective reviews . . . . . . . . . . . . . . . 835.2.6 Making specific improvements of laminates. . . . . . . . . . . . . 845.3 Application of lamina-by-lamina fracture analysis for differen

26、t types of loading . . . 855.3.1 Short term loading . . . . . . . . . 855.3.2 Long term loading . . . . . . . . . 855.4 Cyclically loaded laminates . . . . . . . . 915.4.1 Fracture processes . . . . . . . . . 915.4.2 Presentation of fatigue strength results . . . . . . . . . . . 945.4.3 Component lo

27、ading history . . . . 985.4.4 Methods of fatigue strength analysis . . . . . . . . . . . . . . . 995.4.5 Advices for design . . . . . . . . . 1015.5 Application of calculation programs . . . 1025.5.1 Laminate analysis programs . . . . 1005.5.2 FEM. . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.5.3 Calculatio

28、n of the stretch factor of the load-determined stresses when residual stresses are also present . . . . . . . . . . . . . . . 1046 Analysis of FRP components . . . . . . . . 1076.1 General comments . . . . . . . . . . . . . 1076.2 Stability analyses. . . . . . . . . . . . . . 1096.2.1 Buckling of st

29、ruts. . . . . . . . . . 1116.2.2 Buckling of flat plates . . . . . . . 1126.2.3 Buckling of cylindrically curvedplates and shells . . . . . . . . . . . . 1156.2.4 Comments . . . . . . . . . . . . . . . 1226.2.5 Finite element analyses. . . . . . . . . 124fSLB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0

30、D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2006 VDI 2014 Blatt 3 / Part 3Blatt 3 / P 3VorbemerkungDie Richtlinie VDI 2014 enthlt Empfehlungen frdas Entwickeln von Bauteilen aus Fas

31、er-Kunststoff-Verbunden (FKV), die aus einzelnen faserverstrktenSchichten bestehen, bei denen Fasern in einer Kunst-stoff-Matrix eingebettet sind. Auch wenn auf Grunddes vorliegenden Erfahrungsschatzes die Gruppe derbetrachteten Matrixwerkstoffe dabei auf die klassi-schen“ duromeren Kunststoffe wie

32、Epoxid-, Vinyles-ter- und Polyesterharze beschrnkt ist, knnen dievorgestellten Berechnungsmodelle auch auf FKV mitthermoplastischer Matrix angewandt werden, so-lange das grundstzliche Werkstoffverhalten ver-gleichbar bleibt. (Abweichungen des Werkstoffver-haltens sind vor allem beim Bruchgeschehen z

33、u er-warten, weil insbesondere bei geringeren Faservolu-menanteilen oder hheren Temperaturen kein ausge-prgtes Sprdbruchverhalten zu erwarten ist). Die Richtlinie will durch Systematisieren und Ver-einheitlichen der Bauteilauslegung und -dimensio-nierung auch die Zulassungsverfahren und die Quali-tt

34、ssicherung erleichtern. Sie ist in drei Teile geglie-dert:Blatt 1 GrundlagenBlatt 2 Konzeption und GestaltungBlatt 3 BerechnungenPreliminary noteGuideline VDI 2014 includes recommendations forthe design of components made of fibre-reinforcedplastics (FRP) which consist of individual fibre-rein-force

35、d laminae in which fibres are embedded in aplastic matrix. Even when, due to the fund of experi-ence available, the group of matrix materials cominghere into consideration, is restricted to the “classic”thermoset plastics such as epoxy, vinylester and poly-ester resins, the calculation models presen

36、ted canalso be applied to fibre-reinforced plastics with athermoplastic matrix provided the basic behaviour ofthe material remains comparable. (Differences in ma-terial behaviour are to be expected above all in frac-ture behavior, since it is particularly with lower fibrevolume contents or higher te

37、mperatures that nomarked brittle-fracture behaviour would be ex-pected). By systemizing and standardizing component designand dimensioning, this guideline seeks to make ap-proval procedures and quality assurance easier aswell. It is subdivided into three parts:Part 1 Basics Part 2 Concept and design

38、Part 3 AnalysisSeite6.3 Verbindungen und Krafteinleitungen . . . . . . 1246.3.1 Klebverbindungen . . . . . . . . . . . . 1256.3.2 Bolzenverbindungen. . . . . . . . . . . 1306.3.3 Schlaufenanschlsse. . . . . . . . . . . 131Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133Anhang . . . . . . .

39、. . . . . . . . . . . . . . . .136A1 Bercksichtigung von nicht auf der Bruchebene wirkenden Span-nungen in den wirkebenebezogenen Zwischenfaserbruch-Kriterien nachAbschnitt 4.5 . . . . . . . . . . . . . 134A2 Berechnung des Streckungsfak-tors der lastbedingten Spannungenbei gleichzeitig vorhandenen

40、Eigen-spannungen. . . . . . . . . . . . . . 146A3 Benutzen des in einem Rechen-programm implementierten Tsai/Wu-Kriteriums zur Erlangung von ZFB- und FB-Ergebnissen nach Puck/Knaust . . . . . . . . . . . . . 156fSLPage6.3 Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246.3.1 Bonded joints . . .

41、. . . . . . . . . . . 1256.3.2 Mechanically fastened joints . . . . . . 1306.3.3 Loop joints . . . . . . . . . . . . . . . 131Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Annex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136A1 Inclusion of stresses not acting on the fracture plane in th

42、e action-plane-related inter-fibre fracture criteria described in Section 4.5 . . . 134A2 Calculation of the stretch factor of the load-determined stresses whenresidual stresses are also present . . 146A3 Using the Tsai/Wu criterion imple-mented in a computer program inorder to obtain IFF and FF res

43、ults according to the Puck/Knaust criterion . . . . . . . . . . . . . . . 156fSLB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 20064 VDI 2014 Blat

44、t 3 / Part 314 Blatt 3 / P1 AnwendungsbereichVDI 2014 Blatt 3 zeigt den Stand der Technik der Be-rechnungsmethoden zur Entwicklung von FKV-Bau-teilen auf. Das Grundprinzip dabei ist, dass das Ver-halten des Laminates (Abschnitt 5) auf die Eigen-schaften seiner Schichten (Abschnitt 4) zurckge-fhrt wi

45、rd. Die Auslegung und das Dimensioniereneines Laminates umfasst die beanspruchungsge-rechte Konstruktion des Laminates (Faserrichtungen,Schichtanzahl, Schichtfolge) und die Bestimmungder notwendigen Laminatdicke, zusammengesetztaus den Dicken der einzelnen Schichten. Die Richtli-nie basiert weitgehe

46、nd auf bereits in der Praxis er-probten und anerkannten Methoden. Dies gilt frVDI 2014 Blatt 3 hinsichtlich der Methoden der Ver-formungs- und Spannungsberechnung (Abschnitt 4.1bis Abschnitt 4.3 und Abschnitt 5.1). Fr die Festig-keitsberechnung (Abschnitt 4.5 und Abschnitt 5.2)musste dieses Prinzip

47、verlassen werden, da das bli-che Vorgehen zumindest in einigen Industriezweigenzu groben Fehleinschtzungen fhren kann. Es sindhierzu zum Teil neue Methoden aufgenommen wor-den, die aber die Erkenntnisse langjhriger Entwick-lungspraxis widerspiegeln. Die in VDI 2014 Blatt 1 und Blatt 2 eingefhrtenSch

48、ichttypen P-ES, G- ES und W-ES werden beibe-halten. Deren Bezeichnung musste aber auf Grundder englischen bersetzung von Blatt 3 in UD-Schicht, G-Schicht und M-Schicht gendert werden.Dabei hat die UD-Schicht fr die Entwicklung hoch-leistungsfhiger Bauteile auf Grund ihrer gestrecktenFaseranordnung h

49、erausragende Bedeutung. Dahersteht die UD-Schicht im Vordergrund der Berech-nungsmethoden.Bei der rechnerischen Dimensionierung von Lamina-ten und FKV-Bauteilen verbleiben noch Unsicherhei-ten, z.B. bezglich der Schwingfestigkeit (Ab-schnitt 5.4). Hier kann nicht der richtige, sondern nurder zurzeit bestmgliche Weg aufgezeigt werden.Die hier vorliegende Richtlinie VDI 2014 Blatt 3 be-fasst sich vorrangig mit der Darstellung der Berech-nungsmethoden, erlutert aber an vielen Stellen auchden Zusamme