FeelMath - Mechanische und thermische Eigenschaften von Mikrostrukturen

FeelMath ist ein schnelles und leicht zu bedienendes Analyse-Tool zur Berechnung effektiver mechanischer und thermischer Eigenschaften von Mikrostrukturen, die  durch Volumenbilder oder analytische Beschreibungen gegeben sind.

Informationsgewinnung für die Mikrostruktur

Die Mikrostruktur eines Materials beeinflusst Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Elastizität oder akustische Dämpfung. Mittels der Bildanalyse werden anhand von REM-Aufnahmen oder Tomographien, die wichtigsten Informationen für die Mikrostruktur erarbeitet. Des Weiteren bestimmt die Bildanalyse Mikrostrukturinformationen, welche für die Auslegung auf der Makroskala, oder z.B. auf der Ebene des Bauteil, nötig sind.

Außerdem wird das repräsentative Volumenelement so betimmt, dass es klein genug ist, um nicht zu viele Computerresourcen zu beanspruchen, aber groß genug, um aussagekräftig zu bleiben. Auch makroskopische Materialeigenschaften können durch Realisierungen geometrischer Modelle erstellt werden.

 

Das Finden der optimalen Mikrostruktur

Durch das Modellieren öffnet sich eine Tür zum so genannten digitalen Materialdesign und Optimieren von Werkstoffen. Einfache Änderungen der Modellparameter machen sich in leicht veränderten Geometrien bemerkbar, in denen wiederum die Zieleigenschaften simuliert werden können.

Dieser Zyklus kann solange wiederholt werden, bis die optimale Mikrostruktur gefunden wurde. Somit können aufwändige und teure mechanische Tests und die Herstellungen von Proben und Prototypen reduziert werden, während zugleich der Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur und den resultierenden Eigenschaften des Werkstoffes besser verstanden wird.

FeelMathVOX

dient zur Berechnung der effektiven Steifigkeit von anisotropen, elastischen Verbundwerkstoffen und porösen Materialien (z.B. Gesteine). Der große Vorteil ist, dass die Berechnung keine Netzgenerierung erfordert, sondern direkt auf 3D-Pixeln (Voxeln) stattfindet.  

FeelMathAF

dient zur Abschätzung der effektiven Steifigkeit (richtungsabhängiger Elastizitätsmodul) von anisotropen, elastischen Verbundwerkstoffen mit analytischen Formeln (approximative formulas AF).

FeelMathLD

dient zur Simulation des physikalisch und geometirisch nicht-linearen Verhaltens (large deformations LD) von anisotropen Verbundwerkstoffen und porösen Materialien.

FeelMathVOX
© ITWM

Von-Mises-Spannungen unter Belastung in Faserrichtung.

FeelMathVOX
© ITWM

Von-Mises-Dehnungen unter Belastung in z-Richtung.

FeelMathVOX
© ITWM

Berea-Sandstein.

Projektbeispiel: Integrative Simulationskette für Bauteile

Faserverstärkte Kunststoffe spielen im Leichtbau eine große Rolle. Gründe hierfür sind das gute Gewicht-Steifigkeitsverhältnis sowie die kosteneffizienten und massenproduktionstauglichen Fertigungsverfahren. Dabei wird die Kunststoffmasse bei mittlerem bis hohem Druck in eine Bauteilform eingespritzt bzw. gepresst. Die entstehenden Strömungsvorgänge beeinflussen die Faserorientierung und damit die mechanischen Eigenschaften wesentlich. Für die Entwicklung und Auslegung von kurzfaserverstärkten Bauteilen haben wir in mehreren Projekten mit Bosch eine integrative Simulationskette entwickelt, die den Fertigungsprozess und die daraus erzeugten Materialeigenschaften automatisch berücksichtigt.

Auch in der Steckschnalle eines Lanyards werden faserverstärkte Kunststoffe verarbeitet.
© Fraunhofer ITWM

Auch in der Steckschnalle eines Lanyards werden faserverstärkte Kunststoffe verarbeitet.

Hier sind die Randbedingungen der Bauteilsimulation mit Abaqus zu sehen.
© Fraunhofer ITWM

Hier sind die Randbedingungen der Bauteilsimulation mit Abaqus zu sehen.

Die verschiedenen Farben zeigen die von-Mises-Vergleichsspannung der Abaqus-Simulation der Steckschnalle.
© Fraunhofer ITWM

Die verschiedenen Farben zeigen die von-Mises-Vergleichsspannung der Abaqus-Simulation der Steckschnalle.

Integrative Simulationskette

In der sogenannten Offline-Phase befüllen wir zunächst eine Materialdatenbank mit den genannten Daten. Dies geschieht unter Verwendung von mikromechanischen Simulationen aus FeelMath und Modellreduktionsmethoden. Anschließend werden die Ergebnisse der Spritzgusssimulation mit den Softwarelösungen FLUID, Moldflow oder Moldex 3D auf das Finite-Elemente-Netz (FE-Netz) der Bauteilsimulation übertragen.

Während der Bauteilsimulation mit Abaqus interpolieren wir abhängig von den tatsächlich auftretenden Faserorientierungen zwischen den in der Offline-Phase ermittelten Materialgesetzen und berücksichtigen auf diese Weise die lokal veränderlichen mechanischen Eigenschaften. Dieses Vorgehen ermöglicht es uns das Leichtbaupotential von faserverstärkten Kunststoffen voll auszunutzen und vermeidet übergroße Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung.

Faserverstärkte Kunststoffe im Projekt MuSiKo

Im Projekt MuSiKo (Adaptive Approximationsverfahren zur Multiskalensimulation des nichtlinearen Verhaltens von Kompositen) beschäftigten wir uns ebenfalls mit der Simulation von faserverstärkten Kunststoffen. Dort entwickelten wir effiziente Mehrskalensimulationstechniken, die zur Vorhersage makroskopischen Deformations- und Versagensverhaltens nur die Eigenschaften der Fasern und die Faserorientierung als Eingangsparameter benötigen.

Mehr zum Projekt MuSiKo