Gadinger M, Bode C, Wartzack S (2024)
Publication Language: German
Publication Type: Conference contribution, Conference Contribution
Publication year: 2024
Book Volume: 7.
Conference Proceedings Title: Proceedings from the NAFEMS DACH Conference 2024
URI: https://www.nafems.org/publications/resource_center/dach24-pres-47/
Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen werden zunehmend als wichtige Strukturbauteile im Serieneinsatz verwendet. Dort sind sie häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt, die mit steigender Zyklenzahl durch Mikrorissbildung und -ausbreitung zu einer Verschlechterung bzw. Degradation der Werkstoffeigenschaften führen. Bisherige Auslegungsansätze und Optimierungsroutinen berücksichtigen die Betriebsfestigkeit jedoch kaum. Vielmehr erfolgt meist eine Überdimensionierung nach empirischen Kriterien. Um das volle Leichtbaupotenzial eines Bauteils auszuschöpfen, ist jedoch eine gezielte Auslegung auf eine definierte Lebensdauer zielführend.
Um diese Lücke zur gezielten Betriebsfestigkeitsauslegung von Faserverbundbauteilen zu schließen, wird am KTmfk eine neue Auslegungsmethode zur Berücksichtigung des Ermüdungsverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden entwickelt. Ziel ist dabei die lokale Verstärkung eines Basislaminats, um sicherzustellen, dass der Faser-Kunststoff-Verbund eine geforderte, minimale Schwingspielzahl erreicht. Dazu werden die im Bauteil wirkenden Spannungen und Dehnungen mittels einer Finiten-Elemente-Analyse ermittelt und örtlich aufgelöst pro Schicht und Element betrachtet. Mit Hilfe eines mathematischen Versagensmodells wird so für jedes Element die maximale bis zum Versagen ertragbare Schwingspielzahl berechnet. Die dafür notwendigen Kenntnisse über das anisotrope Festigkeitsverhalten liefern zyklische Versuche an unidirektionalen Probekörpern. Der erste Schritt zur Verbesserung des Langzeitverhaltens besteht darin, Patches an den in der Simulation identifizierten kritischen Bereichen anzubringen. Parallel dazu werden die Faserorientierungen der Lagen optimiert, indem sie an die Hauptrichtungen der größten Spannungen angepasst werden. Weitere Simulationen werden durchgeführt, um die Positionen und die Anzahl der Patch-Lagen, die Dicke der einzelnen Lagen und die Schichtreihenfolge zu optimieren. Das abschließende Post-Processing stellt sicher, dass am Ende der Optimierung ein fertigungsgerechtes Design vorliegt. Dazu werden ähnliche Patches mittels Clustering zusammengefasst.
Die Neuheit und Einzigartigkeit dieses Ansatzes liegt in der Kombination der Laminatoptimierung dynamisch beanspruchter Strukturen mit der Flexibilität des Fiber Patch Placement. Damit ermöglicht die Methode eine flexible und gezielte Verbesserung des Betriebsfestigkeitsverhaltens unter Berücksichtigung des Leichtbaugedankens.
APA:
Gadinger, M., Bode, C., & Wartzack, S. (2024). Entwicklung eines Vorgehens zur automatisierten Auslegung zyklisch belasteter, endlosfaserverstärkter Bauteile. In Proceedings from the NAFEMS DACH Conference 2024.
MLA:
Gadinger, Marc, Christoph Bode, and Sandro Wartzack. "Entwicklung eines Vorgehens zur automatisierten Auslegung zyklisch belasteter, endlosfaserverstärkter Bauteile." Tagungsband Proceedings from the NAFEMS DACH Conference 2024 2024.
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