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FEMFAT laminate

Faserverstärkte Kunststoffe gewinnen in der Automobilindustrie immer mehr an Bedeutung. Aufgrund ihrer überragenden Eigenschaften lassen sich selbst bei komplexen Geometrien die traditionell gegenläufigen Ziele hohe Festigkeit/Steifigkeit und Gewichtseinsparung vereinen. Damit einher geht ein positiver Beitrag zur CO2-Bilanz.

Wenig überraschend erforderte die korrekte Bewertung endlosfaserverstärkter Kunststoffe die Implementierung neuer Methoden in FEMFAT. Dieser Prozess konnte mit FEMFAT 5.1 erfolgreich umgesetzt werden und mündete in dem neuen Modul LAMINATE, das zunächst für ABAQUS verfügbar ist.

Wesentliche Eigenschaften von FEMFAT laminate umfassen:

  • Die Bewertung erfolgt Element-basiert, d.h. für  Composite-Schalenelemente schichtweise für Ober- und Unterseite. Für andere Materialien werden die herkömmlichen Methoden verwendet, folglich kann eine gemischte Struktur aus Standard-Werkstoffen und Laminaten in einem Rechenlauf bewertet werden.

  • Die Einbeziehung der Eigenschaften der Fasern und der Matrix erfordert die Definition einer neuen Werkstoffklasse, welche mit der Bezeichnung „Endlosfaserverstärkte Kunststoffe“ implementiert wurde. Diese beinhaltet u.a. die Parameter für die Puck’sche Versagenskurve.

  • Die Puck’sche Versagenskurve (der Zwischenfaserbruch wird durch die auf der Bruchebene wirkende Normalspannung und die beiden Schubspannungen bestimmt) bei Zwischenfaserbruch wird zur Begrenzung des Haigh-Diagramms verwendet. Dabei wird der i.A. zeitlich veränderliche Spannungsvektor in der Schnittebene parallel zur Faserrichtung auf verschiedene vorgegebene Richtungen projiziert, für welche dann Rainflow-Klassierungen und Schädigungsrechnungen durchgeführt werden (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Puck’sche Versagenskurve

  • Die Haigh-Diagramme und Wöhlerlinien werden abhängig vom Polarwinkel der jeweiligen Richtungen entsprechend zwischen Zug-Druck und Schub interpoliert (0 Grad entspricht Zug-Druck, 90 Grad entspricht Schub). Die Richtung mit der größten Schädigung wird als allein verantwortlich für das Versagen erachtet.

  • Die Berechnungsmethode ist eine an LAMINATE angepasste Variante des „kritische Komponente  kritische Schnittebene“-Verfahrens. Damit werden sowohl Faser- als auch Zwischenfaserbruch in der Schichtebene als auch normal dazu betrachtet.

  • Die Einflüsse „Mittelspannung“, „statistischer Einfluss“ und „Oberflächenbehandlungsfaktor“ können berücksichtigt werden, wobei letzterer auf alle Schichten angewandt wird.

  • Um den großen Berechnungsaufwand (viele Schichten, Versagenskriterien) in den Griff zu bekommen, stehen sowohl Berechnungsfilter als auch Parallelisierung zur Verfügung.

  • Die Vielzahl an Ergebnissen wird im FEMFAT visualizer effizient dargestellt und kann im odb-Format als ABAQUS Ergebnisdatei abgespeichert werden. Unter Zuhilfenahme der Option „critical“ (siehe Abbildung 1) werden dabei nur die entscheidenden Ergebnisse pro Elemente im dma-File gespeichert.

 

 

 

Abbildung 2: Ergebnisposition "Critical"

Mit diesem beachtlichen Funktionsumfang macht FEMFAT laminate endlosfaserverstärkte Kunststoffe einer Ermüdungsbewertung mit komplexen Last-Zeitverläufen zugänglich.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung sieht neben einer Verfeinerung der Methoden Erweiterungen der Schnittstellen und Ausgabemöglichkeiten vor.