Faserverstärkte Kunststoffe

Im Leichtbau – z. B. bei Bohrmaschinengehäusen – ersetzen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr Metalle als Werkstoff.

Adaptive Approximationsverfahren zur Multiskalensimulation des nichtlinearen Verhaltens von Kompositen

Simulation Schädigungsverhalten
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Simulation des lokalen Schädigungsverhaltens, Matrixschädigung verursacht durch Mikrorisse: hohe Schädigung im roten Bereich, niedrige Schädigung im blauen Bereich.

Spannungsverteilung in Filtergehäuse
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Spannungsverteilung in Filtergehäuse der Firma Filtran unter Innendruck, hohe Spannung im roten Bereich, niedrige Spannung im blauen Bereich.

Im Leichtbau – sowohl im Automobil- als auch im Consumer-Bereich (z. B. Bohrmaschinengehäuse) – ersetzen faserverstärkte Kunststoffe immer mehr Metalle als Werkstoff. Die Vorhersage der Festigkeit und des Schädigungsverhaltens dieser Bauteile ist aufgrund der Richtungsabhängigkeit des mechanischen Werkstoffverhaltens kompliziert, weshalb aufwendige Mehrskalensimulationen für präzise Vorhersagen notwendig sind. Hierbei stellt vor allem der hohe Bedarf an Rechenzeit und Speicher ein Problem dar.
 

Verbundforschungsvorhaben MuSiKo

Bei uns am Institut werden zur Reduktion dieses hohen Aufwands Methoden entwickelt, um basierend auf sogenannten Konfigurationskräften makroskopische Indikatoren zu definieren, mit denen die Mikrostruktur im Bauteil adaptiv nur an den notwendigen Stellen berücksichtigt wird. Dies steht beim vom BMBF geförderten Verbundforschungsvorhaben MuSiKo im Mittelpunkt.

Standardkräfte beschreiben die äußere Einwirkung, die einen festgehaltenen Körper verformen. Im Gegensatz zu diesen Kräften erfassen Konfigurationskräfte die Wirkung der mikrostrukturellen Inhomogenität auf die Verformung. In Bereichen eines Bauteils ohne großen Einfluss der Mikrostruktur wird auf einfache und schnelle Homogenisierungsmethoden zurückgegriffen, während in den Bereichen mit größerem Einfluss der Mikrostruktur auf die Festigkeit aufwendigere und genauere Methoden verwendet werden. Durch die adaptive Wahl des Mikrostrukturlösers wird eine sehr hohe Genauigkeit bei reduziertem Speicher- und CPU-Bedarf erzielt.

In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Technische Mechanik der TU Kaiserslautern entwickeln wir Indikatoren für die Auswahl des Mikrolösers, basierend auf den Konfigurationskräften, sowie die Schnittstellen für die Skalenkopplung. Für Bereiche, in denen die hohe Auflösung einer komplexen Mikrostruktur erforderlich ist, kommt der bei uns entwickelte Mikrostrukturlöser FeelMath zum Einsatz.

Projektpartner

  • Technische Universität Kaiserslautern (Lehrstuhl für Technische Mechanik)
  • Universität des Saarlandes (Institut für Angewandte Mathematik und Lehrstuhl für Technische Mechanik)
  • Karlsruher Institut für Technologie (Institut für Angewandte und Numerische Mathematik
  • Robert Bosch GmbH
  • Siemens PLM Software
Virtuelle Mikrostruktur kurzfaserverstärkter Kunststoff
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Virtuelle Mikrostruktur (Strukturgenerierung mit der Software GeoDict) eines kurzfaserverstärkten Kunststoffes mit 30% Glasfasergehalt: Spannungsverteilung in Fasern.

Matrixschädigung
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Matrixschädigung: hohe Schädigung in roten Bereichen und niedrige im blauen Bereichen.