Characterisation and Modelling of Continuous-Discontinuous Sheet Moulding Compound Composites for Structural Applications

Ein innovativer Ansatz verfolgt das Konzept diskontinuierliche SMC Verbunde
lokal zu verstärken, um die mechanischen Eigenschaften von strukturellen
Komponenten gezielt an ein Anforderungsprofil anpassen zu können.
Die vorliegende Arbeit basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der
darauf abzielt Material-, Struktur- und Bauteileigenschaften eines hybriden
kontinuierlich-diskontinuierlichen SMC Verbunds zu untersuchen. Innerhalb
jeder Stufe werden dabei die Eigenschaften der individuellen sowie des hybriden
Materials betrachtet, um geeignete Kriterien zur Bewertung eines
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Hybridisierungseffektes zu definieren.
Der untersuchte kontinuierlich-diskontinuierliche SMC Verbund zeichnete
sich durch ein verbessertes mechanisches Eigenschaftsspektrum, sowohl auf
Proben-, Struktur- als auch auf Bauteilebene aus. Die elastischen Eigenschaften
konnten im uniaxialen Lastfall mit Hilfe der Mischungsregel und
klassischen Laminattheorie sehr präzise analytisch ermittelt werden.
Schadensinitiierung des hybriden SMC Verbundes wurde primär von der
kontinuierlichen Komponente bestimmt. Zwischenfaserbrüche sowie intra- und
interlaminare Delamination traten als dominierende Schädigungsmechanismen
auf. Pseudo-Delamination bestimmte das Versagen der diskontinuierlichen
Komponente. Allgemein betrachtet ermöglicht die lokale Verstärkung
einen vielversprechenden Ansatz, um Material-, Struktur- sowie
Bauteileigenschaften gezielt auf einen vorherrschenden Lastfall abstimmen
zu können und im Optimalfall ein Eigenschaftsprofil zu generieren, welches
besser als die Summe der Eigenschaften der beiden individuellen Komponenten
ist.

A new approach focusses on the combination of a discontinuous (Dico) glass
fibre reinforced sheet moulding compound composite (SMC) with continuous (Co)
carbon fibre SMC, manufactured in an adopted SMC process. It aims to
enhance load-bearing capacities due to a possible local reinforcement of
components. The main objective of this work is to contribute significantly
to a fundamental understanding of the material and structural behaviour of
continuous-discontinuous (CoDico) SMC composites by following a holistic
approach to investigate microscopic aspects and macroscopic mechanical
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behaviour on coupon, structure and component level. For this purpose, mechanical
properties and modelling approaches are presented and discussed.
Criteria to evaluate the hybridisation effect are also introduced.
In comparison to Dico SMC, hybrid CoDico SMC composites stood out due
to superior mechanical performance on coupon, structural and component
level. However, effect of hybridisation strongly depended on loading case.
The continuous component determined elastic material properties. A rule
of hybrid mixtures and an adaption of the classical laminate theory (CLT)
were most suitable to predict tensile, compressive and flexural stiffness of
the hybrid laminate. Evolving damage, hence strength of the hybrid SMC
composite was strongly linked to the continuous reinforcement with inter-fibre
failure and (inter- as well as intralaminar) delamination being the most
important failure mechanisms. In general, a hybrid CoDico SMC composite
is an interesting hybrid material to allow for tailorable material properties of
structural components by local reinforcements to achieve a property profile
superior to the sum of the properties of the individual materials.