Modeling structural behavior of fiber reinforced composite parts by considering draping effects
Creators: name: Galkin, Siegfried
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Draping effects
Drapiereffekte
unidirectional noncrimp fabrics (UD-NCF)
fiber rotation
Faserrotation
fiber volume content
Faservolumengehalt
fiber waviness
Faserwelligkeit
micromechanical numerical analysis
off-axis tests
angle-ply laminates
digital image correlation (DIC)
epoxy
composite
strain measure
Puck failure criterion
Puck Versagenskriterium
virtual process chain
mapping

description: Faserverbundwerkstoffe eignen sich als ideale Leichtbauwerkstoffe. Besonders im Automobilsektor werden zunehmend Faserverbundwerkstoffe für geometrisch komplexe Bauteile verwendet. Je nach Bauteilkomplexität eignen sich unterschiedliche Halbzeuge für die Umformung zur finalen Preform. Werden trockene Halbzeuge, wie zum Beispiel UD-NCF verwendet, entstehen während der Umformung strukturmechanisch relevante Drapiereffekte. Diese äußern sich in der Variation der Faserorientierung, der lokalen Änderung des Faservolumengehaltes und in Bereichen mit Faserwelligkeiten. Werden diese Effekte bei der Auslegung von Bauteilen nicht berücksichtigt, sinkt die numerische Prognosegüte. Für die Erfassung der Drapiereffekte in der Struktursimulation können die Informationen aus der Drapiersimulation entnommen werden. In einer vorangegangenen Arbeit wurde ein Materialmodell zur Umformung von UD-NCF Halbzeugen entwickelt. Um jedoch die Drapiereffekte in der Struktursimulation zu erfassen, bedarf es neuer Materialmodelle. Die Anforderungen an das zu entwickelnde Materialmodell leiten sich aus den experimentellen Beobachtungen ab. In einer umfangreichen Versuchskampagne wurde der Einfluss von einzelnen Drapiereffekten auf das Materialverhalten untersucht. So zeigte sich, dass neben dem im Allgemeinen bekannten Einfluss der Faserorientierung, weitere materialspezifische Eigenschaften zum Vorschein treten. Wird eine Belastung aufgeprägt, ändert sich die Faserorientierung. Obwohl die Faserorientierung maßgeblich die mechanischen Eigenschaften beeinflusst, wird deren Änderung in der Modellierung kaum berücksichtigt. Darüber hinaus zeigte sich, dass die initial transversale Materialachse ebenso einer Deformation unterliegt. Wird nur die Änderung der Faserorientierung berücksichtigt, kann ein falscher Versagensmechanismus prognostiziert werden. Um die Änderung der Materialachsen zu berücksichtigen, wird ein geeignetes Dehnungsmaß vorgestellt. Der Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der Deformation der einzelnen Materialachsen. Zur Berücksichtigung des Faservolumengehaltes wurden experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der elastischen Materialparameter, sowie der unterschiedlichen Materialfestigkeiten und Materialnichtlinearitäten durchgeführt. Die Modellierung der elastischen Eigenschaften und der Festigkeiten erfolgt mithilfe von analytischen Ansätzen. Auf Basis der Versuche konnte ein faservolumengehaltsabhängiges Versagenskriterium für Faserbruch und Zwischenfaserbruch eingeführt werden. Es zeigt sich, dass für den Zwischenfaserbruch die Materialfestigkeiten unterschiedlich vom Faservolumengehalt beeinflusst werden. Die numerische Vorhersage bei Berücksichtigung des Faservolumengehaltes zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Als weiterer Drapiereffekt wird die Faserwelligkeit berücksichtigt. Hier zeigt sich der signifikanteste Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Um den Einfluss des Faservolumengehaltes und der Faserwelligkeit im Detail zu untersuchen wurden Modellierungen auf der mikroskopischen Skala durchgeführt. Hierbei zeigt sich deutlich der Einfluss der Matrix auf die Materialeigenschaften des Verbundes und dessen Versagensverhalten. In einer weiteren numerischen Studie wurde der Einfluss von Drapiereffekten an einem Bauteil untersucht. Insbesondere tritt der Einfluss des Laminataufbaus bei der Berücksichtigung von Drapiereffekten zum Vorschein.