Herausforderungen bei der Simulation von Faserverbundstrukturen am Beispiel des KTM X-Bow

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1 Herausforderungen bei der Simulation von Faserverbundstrukturen am Beispiel des KTM X-Bow Mechatroniktag 2014, Saalfelden, 3. März 2014 Dr.-Ing. Martin Perterer

2 Inhalt Kurzvorstellung KTM Technologies Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Berechnungsmethoden für Faserverbundwerkstoffe Fallbeispiel KTM X-Bow Zusammenfassung

3 KTM Technologies - Daten 2008: Spin-off des KTM X-BOW Entwicklungsteams Circa 30 hochqualifizierte Spezialisten der Carbon Composite Technologie Circa 140 Mitarbeiter am Standort Anif bei Salzburg, Österreich X-Bow GT mit Straßenzulassung

4 KTM Technologies - Schwerpunkte Konzeptentwicklung Technologieentwicklung Engineering & Simulation Hennecke Streamline 65 Presse Langzauner LZT-OK-130

5 KTM Technologies - Berechnungskompetenz CFD Simulation Optimierung Fertigungsaspekte Prozesssimulation Vorauslegung Layup Definition Definition Lasten, RB, Kontakte Simulation Struktur und Crash

6 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Werkstoff entsteht zusammen mit Struktur Grundelemente»Fasern»Matrix

7 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Typische Faserarten»Kohlenstofffasern»Glasfasern»Aramidfasern»Keramikfasern»Naturfasern Typische Matrixarten»Duromere»Thermoplaste

8 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Lastübertragung mittels Fasern Matrix erfüllt Stützwirkung Metalle

9 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Richtungsabhängige mechanischen Eigenschaften Lastpfadgerechte Auslegung

10 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Sprödes und abruptes Versagen»Matrix»Fasern»Interface Effiziente Berechnungsmethoden erforderlich Beispielehafte Versagensmodi Bruchfläche einer Faserverbundstruktur

11 Berechnungsmethoden Klassische Laminattheorie»Zerlegung in Einzelschichten»Beschreibung der Gesamtstruktur E

12 Berechnungsmethoden Finite Elemente»Aufteilung der Struktur in kleine Elemente»Elementweise Berechnung»Übertragung Verhalten auf Gesamtstruktur

13 KTM X-Bow Motor:»Audi 2.0 TFSI Turbo»285 PS (210 kw)»420 Nm Trockengewicht: 847 kg km/h in 4,10 sec

14 KTM X-Bow Strukturauslegung Monocoque Randbedingungen»Feste Einspannung hinten Beispiellastfall»Torsion (F z = 4 kn bei y = 1,000 mm) Bewertungskriterien»Torsionssteifigkeit > Nm/»Kein initiales Versagen (First-ply failure)

15 KTM X-Bow Strukturauslegung Monocoque Aufbau Lagenaufbau»300 Patches»3D Geometrie»Überlappungen

16 KTM X-Bow Strukturauslegung Monocoque Bewertung der Einzellagen»Lokale Beanspruchung (IRF)»Unkritisch für alle Lagen

17 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Anforderungen»Begrenzung der max. Beschleunigung»Energieabsorption im Crashfall Beispiellastfall»Frontcrash gegen starre Wand

18 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Crashbox Dummies Schlitten Monocoque Crashbox Test Setup : Crash scenario gemäß FIA Art. 259 Technical regulations für Sportwägen

19 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Modellierung»Innen- und Außenschale»Schalen mit realem Lagenaufbau»Honigwabenkern als Volumenkörper»Richtungsabhängige Eigenschaften»Inserts als Volumenkörper»Kontakte zwischen Fügepartner

20 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Vergleich Deformationsverghalten

21 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Vergleich finale Deformation

22 KTM X-Bow Auslegung Crashbox Vergleich Verzögerung

23 KTM X-Bow CFD Simulation Cockpit Motivation»Passagierkomfort»Analyse Strömung Cockpit Randbedingungen:»140 km/h»rotierende Räder»Bewegter Untergrund Ohne Windschild Mit Windschild

24 KTM X-Bow CFD Simulation Cockpit Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im Cockpit Mit Windschild Ohne Windschild

25 KTM X-Bow CFD Simulation Cockpit Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im Cockpit Mit Windschild Ohne Windschild

26 KTM X-Bow CFD Simulation Cockpit Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit im Cockpit Mit Windschild Ohne Windschild

27 KTM X-Bow Simulation Fertigungsprozess Beispiel Schlosscover»RTM Verfahren»Simulation»Drapieranalyse»Simulation der Formfüllung

28 KTM X-Bow Simulation Fertigungsprozess Definition Zuschnitte Beurteilung lokaler Faservolumengehalt Gassenbildung aufgrund zu hoher Scherwinkel Aus Drapieranalyse resultierende Scherwinkel

29 KTM X-Bow Simulation Fertigungsprozess Vergleich unterschiedlicher Angussstrategien» Punktanguss» Umlaufender Filmanguss Angussstelle Angussstelle Umlaufender schmaler Kanal Angussstelle Umlaufender breiter Kanal

30 KTM X-Bow Simulation Fertigungsprozess Validierung anhand von Abbruchversuchen» Gut Übereinstimmung Fließfront» In Simulation keine lokalen Effekte berücksichtigt (Schwankung in Lagendicke, Faservolumengehalt etc.) Simulation Experiment

31 Zusammenfassung Simulationseinsatz»Gewichtsoptimierung»Lastfade»Geometrie»Kostenreduktion»Zeitersparnis

32 Kontakt Dr.-Ing. Martin Perterer KTM Technologies GMBH St. Leonharder Straße Salzburg/Anif

33 KTM Technologies Konzeptentwicklung»Ideenfindung»Konzeptionierung»Design

34 KTM Technologies Technologieentwicklung»Technikum»Verfahren undd Prozesse»Halbzeugentwicklung»Werkstoffcharakterisierung Hennecke Streamline 65 Presse Langzauner LZT-OK-130

35 KTM Technologies Engineering / Simulation»Prozesssimulation inklusive Drapiersimulationen»Berechnung und Optimierung von Strukturbauteilen»Dynamische FE Berechnungen»CFD Berechnung

36 KTM Technologies Konzeptentwicklung»Ideenfindung»Konzeptionierung»Design

37 KTM Technologies Technologieentwicklung»Technikum»Verfahren undd Prozesse»Halbzeugentwicklung»Werkstoffcharakterisierung Hennecke Streamline 65 Presse Langzauner LZT-OK-130

38 KTM Technologies Engineering / Simulation»Prozesssimulation inklusive Drapiersimulationen»Berechnung und Optimierung von Strukturbauteilen»Dynamische FE Berechnungen»CFD Berechnung

39 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Typische Faserarten»Kohlenstofffasern»Glasfasern»Aramidfasern»Keramikfasern»Naturfasern

40 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Typische Matrixarten»Duromere»Sprödes Verhalten»Nicht aufschmelzbar»thermoplaste»duktiles Verhalten»aufschmelzbar

41 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Typische Faserarten

42 Grundlagen Faserverbundwerkstoffe Typische Matrixarten

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