CLS-Prüfkörper

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CLS-Prüfkörper

Die angelsächsische Abkürzung CLS steht für "Crack-Lap Shear".

Allgemeines

Der CLS-Prüfkörper wurde ursprünglich für die Untersuchungen des scherdominierten Versagens an Klebverbindungen konzipiert.

Prüfkörperform [1, 2]

Bild 1:

Crack-lap shear (CLS)-Prüfkörper

Diese Prüfkörperform mit einer "freien Scherlage" wurde in die Literatur von Wilkins [1] und Valisetty [2] eingeführt (siehe Bild 1). Der CLS-Prüfkörper hat keine alleinige Modus II-Belastung an der Rissspitze. Die unausgeglichene Konfiguration des CLS-Prüfkörpers führt zu einer Normalspannung (Modus I). Daraus resultiert, dass man diesen Prüfkörper als Mixed-Mode Prüfkörper bezeichnet.

Eine geometrisch nichtlineare Finite Elemente Analyse von Law und Wilkins [3] zeigte, dass die Modus II-Komponente mit der Belastung variiert. Die Änderung des Mode II-Anteils sind jedoch gering im Vergleich zu den voraussichtlichen Schwankungen in der kritischen Kraft. Für ein typisches Kohlenstofffaser/Epoxidharz-System mit Schichtaufbau ist z. B. der Modus II-Anteil etwa 70 %.

Bestimmungsgleichung für die Energiefreisetzungsrate

Von Altstädt wird in [4] ein CLS-Prüfkörper beschrieben, wo nur die Einspannungslage beansprucht wird (Bild 2).

Bild 2:

CLS-Prüfkörper nach ESIS TC 4

Da an der Rissspitze keine alleinige Mode II-Beanspruchung vorhanden ist, handelt es sich um eine Mixed-Mode Beanspruchung. Um einen natürlichen Anfangsriss zu erhalten, wird der Riss zunächst geöffnet und bis zu einer bestimmten Länge verlängert. Die Traversengeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 0,5 mm/min, wobei nur die Einspannungslage beansprucht wird, die freie Scherlage wird nicht beansprucht. Zwischen Be- und Entlastung wird die Risslänge zur Bestimmung der Nachgiebigkeit erfasst. Auf Grundlage einer Festigkeitsanalyse können die Nachgiebigkeit C und die Energiefreisetzungsrate G für EDZ bestimmt werden:

$C={\frac {L}{B\cdot E\cdot d_{1}}}+{\frac {a\left(d_{1}-d_{2}\right)}{B\cdot E\cdot d_{1}\cdot d_{2}}}$

$G_{I/IIc}={\frac {F^{2}\cdot \left(d_{1}-d_{2}\right)}{2\cdot B^{2}\cdot E\cdot d_{1}\cdot d_{2}}}$

mit:

a		Ausgangsrisslänge
d1		Dicke der Einspannungslage
d2		Dicke der freien Scherlage

Eine umfangreiche Zusammenstellung von geeigneten Prüfkörpern für bruchmechanische Untersuchungen an Kunststoffen und Verbundwerkstoffen ist in Prüfkörper für bruchmechanische Prüfungen enthalten.

Literaturhinweise

[1]	Wilkins, D. J., Eisenmann, R. A., Camin, R. A., Margolis, W. S., Benson, R. A.: ASTM STP 775 (1982), Short Fiber Reinforced Composite Materials
[2]	Valisetty, R. R., Chamis, C. C.: ASTM STP 972 (1988) 41–72, Composite Materials: Testing and Design. Editor: Whitcomb, J. D. (ISBN 0-8031-0980-6; ISBN 13: 978-0-8031-0980-3)
[3]	Law G. E., Wilkinson, D. J.: Delamination Failure Criteria for Composite Structures, Final Report NAV-GD-0053 (15. Mai 1984)
[4]	Altstädt, V.: Prüfung von Verbundwerkstoffen. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 586/587 (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)