FEM-Simulation ist Basis für optimierte Gestaltung

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Insbesondere durch die Verwendung parametrischer Modelle in Ansys Workbench sowie die Nutzung der vollständigen Scriptfähigkeit von Ansys Composite Preppost kann der Modellierungsaufwand bei der Entwicklung der Rotorblätter deutlich reduziert werden. Somit lässt sich die Struktur hinsichtlich der Gewicht- und Herstellungskosten in relativ kurzer Zeit zielgerichtet optimieren. Weil dabei Materialmengen und -kosten automatisch ermittelt werden, ist eine schnelle Wirtschaftlichkeitsbewertung verschiedener Design- und Aufbauvarianten möglich.

Entscheidend im Bereich des Postprocessings ist die Implementierung aktueller Versagenskriterien für faserverstärkte Kunststoffe in Kombination mit den entsprechenden Nachweisen für den Sandwichkern sowie den verschiedenen Möglichkeiten der integralen und schichtweisen Auswertung. Unter anderem können Faserbrüche, Zwischenfaserbrüche oder Delaminationen auftreten. Jede Fehlerquelle muss nach besonderen Kriterien überprüft werden.

Effiziente Analyse trotz Beachtung unterschiedlicher Versagenskriterien

Die sogenannte First-Ply-Failure-Analyse bewertet die Tragfähigkeit der Struktur und liefert Informationen zur Auslastung oder zum sich abzeichnenden Versagen eines Bauteils. Ansys Composite Preppost ermöglicht eine effiziente Versagensanalyse unter Berücksichtigung verschiedenster, auch kombinierter Versagenskriterien, unter anderem von Sandwich-Versagenskriterien wie Deckschichtknittern und Kernversagen in Schub und Zug sowie von 2D- und 3D-Versagenskriterien wie Puck, Cuntze, LaRC (Langley Research Center), Hashin, max. Strain und Stress, Tsai-Wu und Tsai-Hill, wobei interlaminare Schub- und Normalspannungen berücksichtigt werden.

Nach der Versagensanalyse werden in einem Konturbild gleichzeitig der kritischste Reservefaktor, der entsprechende Versagensmodus, die versagende Schicht sowie der dazugehörende Lastfall dargestellt. Mit einem Blick lassen sich damit die kritischen Bereiche und Lastfälle identifizieren.

Geschichtete Langfaser-Composites erfordern werkstoffgerechtes Pre- und Postprocessing

Composite-Werkstoffe bergen für die Zukunft ein enormes Anwendungspotenzial mit Blick auf den effizienten Umgang mit Energie und Rohstoff. Im Alltag hängen Akzeptanz und Anwendung allerdings entscheidend von den verfügbaren Simulationswerkzeugen ab und deren Fähigkeit, komplex aufgebaute Werkstoffe zu beschreiben.

So erfordern geschichtete Langfaser-Composites ein effizientes, werkstoffgerechtes Pre- und Postprocessing unter Berücksichtigung von Kriterien zum Versagen nach aktuellem Stand der Forschung. Bei der Optimierung der Faserverbundstruktur sind Aussagen zur Machbarkeit in der Herstellung und zu resultierenden Bauteilkosten ein zusätzliches Muss.

* Dr.-Ing. Matthias Hörmann ist Bereichsleiter Service bei der Cadfem GmbH in 85567 Grafing bei München

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