Berechnung und Struktursimulation von Composites mit FEM

Wozu dient die Struktursimulation bei Faserverbundbauteilen (FVK)?

Die FVK-Struktursimulation auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) hat die Aufgabe, das spätere Verhalten einer Struktur bereits frühzeitig in der Produktentwicklung virtuell zu analysieren. Beispiele sind die Verformungen unter äußeren Lasten, das Versagensverhalten oder das Schwingungsverhalten im Betrieb. Das Ziel ist es, mit einer möglichst optimalen Auslegung in die Prototypenphase zu starten, um hohe Kosten und lange Entwicklungszeiten, die durch zahlreiche Designiterationen und Versuche verursacht werden, zu minimieren. Optimal im Sinne von Leichtbau und Ressourceneffizienz bedeutet dabei stets, die Anforderungen mit einem möglichst geringen Einsatz von Gewicht zu erreichen.

Was macht die Berechnung und Simulation von Composites so herausfordernd?

Die Aussagekraft einer FEM-Struktursimulation steht und fällt mir der Abbildungsgüte der eingesetzten Modelle. Composites (z.B. CFK, GFK, AFK, ..) besitzen aufgrund ihrer Beschaffenheit ein komplexes anisotropes Verhalten. Vor allem die Versagensmechanismen hängen zudem signifikant vom eingesetzten Faserhalbzeug (Gewebe, Gelege, Geflecht, …) und dem Matrixsystem (Duroplast, Thermoplast, …) ab. Dies macht die Auswahl des geeigneten Modellierungsansatzes, die Ableitung der richtigen Kennwerte sowie die Interpretation von Simulationsergebnissen zu einer Expertenaufgabe.

FEM Simulation für CFK-Composites, Steifigkeit, Festigkeit, Faserorientierung für den Leichtbau
FEM für Faserverbundwerkstoffe unter Berücksichtigung materialspezifischer Eigenschaften und Fertigungseffekte (hier: Automobil-CFK Struktur)

Zudem bestimmen Fertigungseinflüsse in hohem Maße die tatsächlichen mechanischen Eigenschaften. Durch die Drapierung ergeben sich beispielsweise lokal variierende Faserwinkel, die in ungünstigen Konstellationen schnell drastische Festigkeitseinbußen verursachen können. Ob derartige Einflüsse in einer Problemstellung zu berücksichtigen sind, wie dies individuell am effizientesten geschehen kann und welche Maßnahmen ergriffen werden, sind Fragen, mit denen Sie in der Entwicklung konfrontiert sind.

Was macht den Berechnungsansatz unserer Ingenieure bei Carbon besonders?

Unsere Wurzeln liegen in der Werkstoffmechanik, der Fertigungstechnik und der Simulation von Composites. Wir denken und handeln themenübergreifend und finden dadurch ganzheitliche und kreative Lösungen, die den Anforderungen des Werkstoffs gerecht werden und Ihre Innovationskraft multiplizieren.

Wir haben langjährige Erfahrung in der Steifigkeits- Festigkeits-, und Crashauslegung von Composites und unterstützen oder beraten Sie in allen Phasen der Strukturauslegung.

Unsere Stärken sind:

  • Ermittlung und Validierung von numerischen Materialkarten mit Fokus auf anwendungsgerechten Versagens- und Schädigungskriterien für die FEM-Simulation
  • Planung, Koordinierung und Auswertung von entsprechenden Versuchsprogrammen zur Materialcharakterisierung
  • Berücksichtigung der As-Built-Eigenschaften in der Strukturberechnung, z. B. durch Modellierung der Faserwinkel aus einer Drapiersimulation oder durch optische 3D-Preform-Vermessung
  • Numerische Sensitivitätsanalysen auf Laminat- und Bauteilebene zur Ermittlung kritischer Grenzwerte für Fertigungseffekte (Ableitung von Grenzmusterkatalogen, Qualitätskriterien und Toleranzvorgaben für die Produktion)
  • Laminatentwurf und -optimierung unter Nutzung physikalisch basierter Versagenskriterien und laminatgerchter Optimierungsalgorithmen

Für spezielle Fragestellungen im Zusammenhang mit neuen Halbzeugen, Fertigungsverfahren oder Modellierungsansätzen, entwickeln und validieren wir für Sie Methoden, die sich nahtlos in Ihre Arbeitsumgebung eingliedern und implementieren diese bei Bedarf in Tools und Berechnung bzw. Auswertungsroutinen.

Ein paar Beispiele für typische Fragestellungen gefällig?

Leichtbaupotenzial: Ich möchte mein Produkt durch die Nutzung von Carbon leichter gestalten. Mit wieviel Gewichtsreduktion kann ich rechnen, wenn die Anforderungen an die Strukturmechanik und die Fertigungsrandbedingungen berücksichtigt werden?

Strukturmechanische Robustheit: Ich habe ein bestimmtes leichtbauoptimiertes anisotropes Laminat für meine Anwendung vorgesehen. Welche Fertigungstoleranzen für die Faserablage bzw. das Preforming kann ich zulassen, ohne die Funktion des Bauteils zu gefährden?

Kennwerte: Für ein Materialsystem benötige ich eine Materialkarte zur Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung. Welche Versagenskriterien sind zielführend und welches Versuchsprogramm ist durchzuführen, um die erforderlichen Kennwerte zu bestimmen?

Ihre Berechnungskompetenz: Unser Unternehmen will intern Know-How im Bereich der FEM-Auslegung von Composites aufzubauen, hat aber bislang nur geringe Vorkenntnisse. Kann CIKONI uns unterstützen, um dieses Ziel ergebnisorientiert zu erreichen?

 

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