Simulationsmodelle für CFK minimieren Zahl teurer Prototypen

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AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

Das Material lässt sich durch manuelle Eingabe oder den Import von Daten der in ESA Comp erstellen Materialkombinationen definieren. Die Software ESA Comp ist ein Tool für die Konzeption und Erstauslegung von geschichteten Composite-Laminaten und Laminat-Strukturelementen.

16 unterschiedliche Laminate für Versagensanalysen konfiguriert

In der Software Ansys Composite Preppost können die kombinierten Materialien zu Einzelschichten, Laminaten sowie Laminatgruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Gesamtdicken zusammengefasst werden. Für die Versagensanalyse des Fahrradrahmens wurden insgesamt 16 Laminatkonfigurationen mit Standard-, hochfesten sowie hochsteifen Kohlenstofffasern erstellt und miteinander verglichen.

Die Materialzuweisung für das Simulationsmodell wird bei der Composite-Simulationssoftware über orientierte Elementgruppen festgelegt. Über diese Elementgruppen, die für jeden Bereich des Fahrradrahmens definiert werden und untereinander überlappen können, hängen zudem die Ablagerichtung des Laminats und die 0°-Faserrichtung im Bauteil ab. Außerdem kann mithilfe kartesischer, zylindrischer oder sphärischer Koordinatensysteme die Faserrichtung für jede Elementgruppe beschrieben werden.

Simulationssoftware implementiert viele aktuelle Versagenskriterien

Im Postprocessing überzeugt die Software Ansys Composite Preppost vor allem durch die Implementierung vieler aktueller Versagenskriterien sowie die Möglichkeit zur integralen, schichtweisen Ergebnisauswertung. Dadurch wurden am CFK-Rahmen die für die einzelnen Lastfälle jeweils kritischen Bereiche identifiziert.

Außerdem gelang es, das exakte Versagensverhalten für die besonders kritischen Bereiche unter Anwendung der neuen Bruchkriterien nach Puck und Cuntze zu bestimmen. Diese Daten wurden anschließend für die gezielte Anpassung des Lagenaufbaus verwendet. Es wurden unterschiedliche Variantenstudien durchgeführt.

Untersuchungen mit Simulationssoftware ermöglichen optimierten CFK-Rahmen

Das Ergebnis der Untersuchungen ist ein optimierter CFK-Rahmen, der die Festigkeitsanforderungen des Bauteils erfüllt und im Vergleich zu den ursprünglichen Varianten sogar kostengünstiger in der Herstellung ist. Die Simulationssoftware Ansys Composite Preppost ermöglicht, die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von faserverstärkten Fahrradkomponenten optimal an die Anforderungen im Fahrbetrieb anzupassen und die Effizienz bei der Bauteilentwicklung zu steigern. Entgegen der für die Fahrradbranche typischen Trial-and-Error-Entwicklungsmethodik wird dadurch die Anzahl kosten- und zeitintensiver Versuche an Prototypen verringert.

* Norbert Schramm und Jörg Kaufmann sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau (IST) der TU Chemnitz. Prof. Dr.-Ing. Lothar Kroll ist Leiter der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung an der TU Chemnitz und Fachgruppenleiter Berechnung, Simulation und Auslegung am IST

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