Materialmodellierung und Strukturanalyse


Swami Venkat, M.Sc.

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Der Forschungsbereich Materialmodellierung und Strukturanalyse beschäftigt sich mit der Modellierung von Faserverbundkunststoffen sowie mechanischen und geklebten Anbindungen auf verschiedenen Längenskalen. Ein Schwerpunkt in der Materialmodellierung ist die Vorhersage des Konstitutivverhaltens von textilen Verbundwerkstoffen mittels Einheitszellen. Zudem werden neue Methoden zur Messung und Vorhersage von Nichtlinearitäten wie Schädigung und Plastizität bei Verbundwerkstoffen und Klebeverbindungen entwickelt. Dazu werden Konstitutivgesetze entwickelt und angewendet sowie Materialversuche zur Kennwertermittlung und Validierung durchgeführt. Die Strukturanalyse fokussiert sich auf die Anwendung der Modelle auf makroskopische Aufgabenstellungen wie der Analyse von strukturellen Verbindungen und Komponenten, z.B. Windkraft-Rotorblätter.

Textile / Geflochtene Verbundwerkstoffe

Der Einsatz textiler Herstellungsprozesse, wie das Flechten, ermöglicht eine erhebliche Reduktion der Fertigungskosten und Zykluszeiten. Aufgrund ihrer textilen Architektur weisen geflochtene Verbundwerkstoffe im Vergleich zu unidirektionalen Verbundwerkstoffen reduzierte mechanische Eigenschaften sowie ein komplexeres Versagensverhalten auf. Die Forschung am LCC umfasst sowohl die experimentelle Materialcharakterisierung sowie Einheits- zellenberechnung und analytische Materialmodellierung. Ziel ist es dabei, neue Berechnungsmethoden für Bauteile aus geflochtenen Verbundwerkstoffen zu entwickeln.

Abbildung 1: Experimentelle Charakterisierung und Einheitszellensimulation von geflochtenen Verbundwerkstoffen

Schädigungs- und Versagensmodellierung von Verbundwerkstoffen und -strukturen

Aufgrund der ausgeprägten Heterogenität und Anisotropie von Faserverbundwerkstoffen wird ihr Versagen durch vielfältige lokale Schadensvorgänge hervorgerufen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, über die bisher meist übliche Bewertung des „First Ply failures“ hinausgehend auch den Schadensfortschritt bis zum endgültigen Versagen der Struktur zu betrachten. Um dies abzubilden, werden Berechnungsmodelle für Faserverbundwerkstoffe wie Strukturen entwickelt.

Abbildung 2: Verlauf der Matrixschädigung bei der Simulation eines OHT-Versuchs

Einfluss von Faserwelligkeiten auf das Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten von Faserverbundstrukturen

Faserwelligkeiten sind ein oft beobachtetes Phänomen bei der Herstellung von Rotorblättern. Die Ursachen sind vielfältig: Faserwelligkeiten können u.a. während des Ablagevorganges oder während der Aushärtung entstehen. Der LCC beschäftigt sich mit der analytischen, numerischen und experimentellen Bewertung dieser Fertigungseffekte hinsichtlich des Steifigkeit- und Festigkeitsverhaltens.

Abbildung 3: FE Analyse eines Rotorblattes

Auslegung und Simulation von Klebeverbindungen mit faserverstärkten Fügepartnern

Die Fügetechnologie Kleben kommt zunehmend bei modernen Strukturanwendungen zum Einsatz. Vor allem Faserverbundstrukturen profitieren von den Vorteilen des Klebens, weil die Kraft flächig in die Struktur eingeleitet werden kann und Fasern beim Fügeprozess nicht geschädigt werden. Der LCC forscht an der industriellen Anwendbarkeit von Berechnungsmethoden zur Auslegung von sicheren und leichten Klebeverbindungen. Darüber hinaus liegt ein Schwerpunkt auf der Simulation von Klebeverbindungen unter dehnratenabhängiger Belastung wie sie beispielsweise im Crashfall vorliegen.

Abbildung 4: Simulation und Experiment einer einschnittigen Klebeverbindung

Pressverband

Die Krafteinleitung in Faserverbundstrukturen stellt bei der Gestaltung und Auslegung von Bauteilen sehr häufig einen kritischen Bereich dar. Für torsionsbelastete Bauteile werden am LCC verschiedene Welle-Nabe-Verbindungskonzepte untersucht, wobei ein Schwerpunkt auf der Auslegung des Pressverbandes liegt, welcher durch die flächige Krafteinleitung besonders für Faserverbundwerkstoffe geeignet ist. Mit Hilfe numerischer Berechnungen wird diese Verbindungstechnik im Hinblick auf nicht rotationssymmetrische Belastungen und viskoelastisches Materialverhalten untersucht.