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Faserverbund-Leichtbau

Crashsimulation benötigt Daten aus der Fertigung

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FEM-Software ermöglicht genaue Simulationen des Verhaltens von Composites

Potenzielle Lösungen bieten inzwischen viele, am Markt verfügbare Materialmodelle für unidirektionale Gelege oder Gewebe, wie sie zum Beispiel in der Simulationsumgebung LS-Dyna des US-amerikanischen Softwareanbieters LSTC vorliegen. Schichtaufbauten für schalenartige Strukturen können auf einfache Weise entweder für ein gesamtes Bauteil oder für jedes einzelne Element getrennt definiert werden. Für den schichtweisen Lagenaufbau sowohl von dünnen als auch von dicken Schalen erlaubt das FEM-Programm LS-Dyna nicht nur die Zuordnung variierender Schichtdicken, sondern auch die Festlegung unterschiedlicher Materialhauptrichtungen und die Auswahl verschiedenster Materialmodelle für jeden einzelnen Integrationspunkt.

Um dem Nutzer bei der Erstellung des Modellaufbaus und bei der Eingabe von entsprechenden Modellparametern bestmöglich zu unterstützen, arbeitet der Simulationsspezialist Dynamore GmbH, Stuttgart, mit LSTC an der Weiterentwicklung des Präprozessors LS-Prepost, der eng auf den Berechnungskern LS-Dyna abgestimmt ist. Mit diesen Softwarewerkzeugen lässt sich eine Steifigkeits- und Verformungsanalyse von Composite-Bauteilen mit sehr guter Genauigkeit durchführen. Sowohl anisotrope Werkstoffeigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen, als auch die besonderen Schubeigenschaften werden von den vorhandenen Modellen in LS-Dyna berücksichtigt.

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Versagenskriterien bestimmen das Verhalten im Crashfall

Eine effiziente Versagensvorhersage wird von verschiedenen klassischen 2D- und 3D-Versagenskriterien und Schädigungsmodellen gewährleistet, die mit unterschiedlichen Materialmodellen gekoppelt sind. Dazu stehen zum Beispiel die Formulierungen von Puck, Hashin, Chang-Chang oder Tsai-Hill sowie Maximaldehnungs- und Maximalspannungskriterien zur Verfügung. Diese Modelle steuern bei der Crashsimulation klassischerweise das Bauteilversagen: durch das Löschen von entsprechend überbeanspruchten Elementen. Die Güte der zugrunde liegenden Vorhersagemodelle hängt stark von der Materialduktilität während des Bauteilversagens sowie von der gewählten Diskretisierungsgröße ab.

Bereits die Betrachtung relativ einfacher Prallkörper im Chrashlastfall zeigt, dass sowohl die inter- als auch die intralaminare Schädigungsentwicklung von großer Bedeutung für das Bauteilverhalten ist. Durch die heute noch übliche einschalige Modellierung in Gesamtfahrzeugmodellen sind daher viele Effekte, deren Ursache im mehrschichtigen Aufbau von Laminaten zu suchen sind, schwierig – wenn nicht gar unmöglich – abzubilden. Aktuelle Entwicklungen bei den Werkstoffmodellen sowie in der Modelltechnik zur räumlichen Diskretisierung sollen die beschriebenen Verfahrensgrenzen daher erweitern.

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