Hochdynamische Simulationsmethoden für CFK und Co.
Die geopolitischen Entwicklungen der letzten Jahre haben die Bedeutung des Schutzes vor physischen Bedrohungen und das Streben nach verbesserten Sicherheitssystemen neu definiert. In diesem Kontext sind anspruchsvolle Entwicklungen im Bereich ballistischer Schutzsysteme erforderlich, um den gestiegenen Anforderungen gerecht zu werden. Doch nicht nur in militärischen Anwendungen ist der Schutz vor Impacts von zentraler Bedeutung; auch in der zivilen Luftfahrt sind Flugzeuge regelmäßig Bird-Strikes ausgesetzt, und Drucktanks für die Speicherung von Wasserstoff müssen bei Fahrzeugunfällen oder Beschuss optimalen Schutz bieten. Faserverbundwerkstoffe (FVK) bieten bei korrekter Gestaltung aufgrund ihrer herausragenden Impact-Eigenschaften und des geringen Gewichts eine vielversprechende Lösung. Dennoch gestaltet sich die Entwicklung von Bauteilen mit diesen Materialien als äußerst komplex und erfordert Expertenwissen.
Faserverbundwerkstoffe können Energieabsorption und Leichtbau in sich kombinieren und sind daher ideal für den Einsatz in technischen Systemen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind. Die Herausforderung liegt in der präzisen Simulation und Analyse von Impact-Szenarien, um die Leistungsfähigkeit und Sicherheit dieser Systeme zu gewährleisten. In diesem Artikel wird CIKONI seine Ansätze zur Entwicklung von impact-belasteten Strukturen, der Simulation von Impactvorgängen sowie Beschuss und die damit verbundenen technologischen Innovationen vorstellen.
Anwendungen von FVK in beschuss- und impactrelevanten Branchen
Hochdynamische Vorgänge in der Luftfahrt
Der Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) hat in der zivilen und militärischen Luftfahrt stetig zugenommen. Die Faserverbund-Leichtbauweise ermöglicht nicht nur eine Reduktion des Gesamtgewichts, sondern führt damit auch zu einem geringeren Energieverbrauch und einer erhöhten Reichweite.
Gleichzeitig stellen die Luftfahrtindustrie und die Sicherheitsbehörden hohe Anforderungen an die Crashworthiness von Flugzeugen. Hierzu gehören umfangreiche Tests wie Bird-Strike-Tests, die Simulation von Triebwerksschäden (z. B. Fan-Blade-Off) und Bodenaufprallsimulationen. Die Fähigkeit, diese Tests präzise zu simulieren, ist eine Kernfähigkeit von CIKONI, die hilft, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit in der Luftfahrt zu gewährleisten.
Beschusssichere Westen und andere ballistische Schutzsysteme
Ein weiterer bedeutender Anwendungsbereich für FVK sind ballistische Schutzsysteme wie beschusssichere Westen und Fahrzeugpanzerungen. Oft werden Hybridpanzerungen eingesetzt, die FVK in Kombination mit Metallen und Keramiken verwenden.
Diese Materialkombinationen bieten nicht nur einen optimalen Schutz, sondern tragen auch zur Gewichtseinsparung bei. Die Entwicklung dieser Systeme erfordert fundierte Kenntnisse aller eingesetzter Werkstoffe und deren Verhalten unter verschiedenen Impact-Szenarien. Durch die Nutzung der werkstoffspezifischen Vorteile lassen sich hochleistungsfähige Gesamtsysteme entwickeln.
Hochdrucktanks für CNG und Wasserstoff unter kurzzeitdynamischen Belastungen
In der Automobilindustrie finden CFK und GFK zunehmend Anwendung in Typ-3, Typ-4 und Typ-5 Hochdruckspeichern, insbesondere für Wasserstoffanwendungen. Diese Bauweisen reduzieren das Gewicht erheblich und verbessern die Effizienz. Gleichzeitig müssen diese Tanks robust genug sein, um bei Unfällen oder anderen Stößen den erforderlichen Schutz zu bieten. Puncture-Tests und Simulationen von Crashlasten oder Beschuss-Szenarien sind essenziell, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Systeme zu gewährleisten.
Eingesetzte Werkstoffe bei Impact-Belastung
Energieabsorbierende Verstärkungsfasern
Bei der Auswahl der Fasern kommen Materialien wie Kohlenstofffasern, S-2 Glas, Kevlar® und Polyethylen zum Einsatz. Jede Faser hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile, die den Mechanismus und das Verhalten des FVK maßgeblich beeinflussen. S-2 Glas bietet beispielsweise eine hohe Festigkeit bei attraktiven Kosten, während Kevlar® hervorragende Schlagzähigkeit aufweist. Die Auswahl geeigneter Fasersysteme oder deren Kombination ist nur durch ein tiefgehendes Verständnis der Kundenanforderungen und dem Einsatz simulativer Modelle bestimmbar.
Duromere und thermoplastische Matrixsysteme
Die Wahl des Matrixmaterials ist entscheidend für die Leistung von impactbelasteten FVK-Strukturen. Duromere bieten hohe Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität, während thermoplastische Matrixsysteme durch ihre Zähigkeit in der Energieabsorption punkten. Die Wahl des richtigen Systems hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab und wird von CIKONI kundenindividuell für den jeweiligen Anwendungsfall festgelegt.
Kombinierte Vorteile: Hybridsysteme
Hybridsysteme, die metallische Werkstoffe, oxidkeramische Materialien oder Siliziumkarbid integrieren, kombinieren die Vorteile verschiedener Materialien. Diese Systeme sind besonders geeignet, um die Mechanismen des Materialversagens zu optimieren und die Leistung unter Impact-Bedingungen auch kostenoptimal zu verbessern.
Herausforderungen bei der Entwicklung von Impact-belasteten Strukturen und der Simulation von Impactvorgängen
Die Simulation von Impactvorgängen bei Faserverbundwerkstoffen stellt Ingenieure vor vielfältige Herausforderungen. Eine der größten Herausforderungen ist die korrekte Modellierung der vorliegenden Kurzzeitdynamik, die eine präzise Verfügbarkeit von Materialdaten erfordert. Materialparameter müssen sorgfältig kalibriert werden, wobei diese stark von den verwendeten Fertigungsprozessen abhängen. Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Richtungsabhängigkeit der Materialeigenschaften, die das Versagensverhalten unter Impact beeinflusst. Das Verständnis der Abhängigkeiten von Temperatur und anderen Umwelteinflüssen ist ebenfalls von zentraler Bedeutung.
Dies beinhaltet auch die Notwendigkeit einer mehrskaligen Simulation, um die verschiedenen Ebenen der Materialinteraktion während eines Impacts abzubilden. Zusätzlich müssen Normen und gesetzliche Rahmenbedingungen berücksichtigt werden, die für die jeweiligen Anwendungen relevant sind.
Ansätze bei CIKONI zur Entwicklung von Impact-Strukturen und der Simulation von Impactvorgängen bei Composites
CIKONI verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz zur Simulation von Impactvorgängen bei Faserverbundwerkstoffen. Unser Team von Faserverbundexperten bringt umfassendes Domänenwissen aus Bereichen wie Materialauswahl, Materialcharakterisierung, Konstruktion, FEM-Simulation, Testing, Fertigung und Fügetechnik ein. Durch den Einsatz angepasster analytischer Modelle und faserverbundgerechter Simulationen stellen wir sicher, dass die spezifischen Eigenschaften von Composites umfassend berücksichtigt werden.
Darüber hinaus integrieren wir Anisotropie, Fertigungseinflüsse, Dehnratenabhängigkeit und Temperatureffekte in unsere Simulationen. Der Einsatz von Makro- und Mesomodellen ermöglicht eine detaillierte Analyse und Optimierung der Werkstoffe, was zu leistungsfähigen Systemen führt, die von der Konzeption über die Simulation bis hin zur Serienfertigung reichen.
Im Detail stellt sich in der FEM-Berechnung die Frage nach der erforderlichen und gleichzeitig projektseitig geforderten Genauigkeit bei der Modellierung der betrachteten Komponente. Unser Ziel ist eine größtmögliche Effizienz der Berechnung und Projektdurchführung bei gleichzeitig hoher Prognosegüte für das betrachtete Problem.
Bei den Materialdaten sind für Impact und Beschuss neben den Schichteigenschaften auch interlaminare Energiefreisetzungsraten für die Modellierung von Delamination von hoher Bedeutung. Die experimentell ermittelten Materialkennwerte werden von CIKONI Ingenieuren in Materialkarten für die FEM-Berechnung implementiert und validiert. Entscheidend ist unsere Expertise in unterschiedlichen FE-Solvern, die sich die Materialmodelle für Composites teils deutlich unterscheiden. Wir setzen routiniert LS-Dyna, PAM-Crash, Radioss oder Abaqus für die dynamische Simulation ein.
Spezielle Fragestellungen in der FEM-Berechnung von Impact oder Beschuss ergeben sich bei besonders dickwandigen Laminaten, wie sie z.B. bei Drucktanks für die Wasserstoffspeicherung üblich sind. Die Temperaturentwicklung im Aufprallbereich und die dadurch hervorgerufene Änderung der Materialeigenschaften kann relevant werden. Ebenso die Fragestellung nach dem noch zulässigen Berstdruck nach einer Impactbelastung (residual burst pressure after impact). Diese und weitere Themen betrachten wir gerne für Sie in der Impact- und Beschuss-Simulation.
CIKONI: Ihr Lösungsanbieter im Bereich dynamisch belasteter Strukturen
Sicherheit und Effizienz rücken in vielen Branchen in den Vordergrund. Faserverbundwerkstoffe bieten die Möglichkeit hochleistungsfähige Strukturen zu entwickeln, die Leichtbau und hohes Energieabsorptionsvermögen in sich vereinen. Hier bietet CIKONI seinen Kunden innovative Lösungen für die Simulation von Impactvorgängen bei Faserverbundbauteilen. Unser Ansatz kombiniert umfangreiche Erfahrung, technologische Innovationen und ein starkes Partnernetzwerk, um den Anforderungen unserer Kunden gerecht zu werden und zukunftsweisende Entwicklungen in der Branche voranzutreiben.
Dabei verstehen wir uns nicht nur als klassischer Anbieter von Ingenieurleistungen, sondern können durch unsere Fertigungs- und Maschinenressourcen auch Gesamtlösungen von der Konzeption bis zur Serienfertigung anbieten.
Expertise On Demand.
Gerne diskutieren wir mit Ihnen Ihre Herausforderungen im Bereich Faserverbund-Impact. Nehmen Sie heute unverbindlich mit uns Kontakt auf, um Ihren individuellen Lösungsvorschlag zu erhalten.
