UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation

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1 UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress, Prof. Dr.-Ing. André Baeten Hochschule Augsburg 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Motivation Organisation des Testprogramms Gliederung Herstellung der Proben Zerstörungsfreie Prüfung Zugversuch Analyse und Diskussion der experimentellen Ergebnisse Simulation Vergleich Experiment und Simulation Zusammenfassung 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

2 Motivation Einfluss von Abweichungen in der Faserorientierung auf die mechanischen Eigenschaften von UD-Prepregs Einfluss des Aushärteverfahrens Übereinstimmung Experiment Simulation? 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Organisation des Testprogramms Kooperation SGL Carbon Hochschule Augsburg Material + Zugversuch: SGL Carbon Probenherstellung + Simulation: Hochschule Augsburg Material: Carbon fiber UD-prepreg Herstellverfahren: Autoklav Heißpresse 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

3 Lagenaufbau der Proben (hier: Autoklav) Bezeichnung der CFK Probe Lagenaufbau Anzahl der Proben Section 1 5 x 0 14 Section 2 5 x 1 12 Section 3 5 x 5 12 Section 4 0 /5 /0 /5 / Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Herstellung der Proben: Zuschneiden 310 mm 250 mm 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

4 Zerstörungsfreie Prüfung: Thermographie + Ultraschall Thermographiebild Ultraschallbild, Autoklav-Platte Tensile testing Ultraschallbild, Platte aus Heißpresse 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Zerstörende Prüfung: Zugversuch Vorbereitung der Proben nach DIN 2561 Vorbereitung der Proben bei SGL Carbon 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

5 Zerstörende Prüfung: Zugversuch Prüfmaschine: Zwick/Roell Z250 Einrichtung der Proben mit Hilfe eines Lasers Spannungs-Dehnungs-Kurve wird über eine Software aufgezeichnet 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Section 1: 0 Reine Zugbelastung -> Faserbruch Experimentelle Ergebnisse - Autoklav Linearer Spannungs-Dehnungs- Verlauf 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

6 Experimentelle Ergebnisse Zugversuch Referenzwert (SGL) Test 4. Dez 2011 (Heißpresse) Anzahl der Proben 13 Zugfestigkeit (Mittelwert) 1979 MPa 1871 MPa Absoluter Fehler 63 MPa Relativer Fehler 3.39 % 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Experimentelle Ergebnisse - Autoklav Section 2: 1 Faserbruch aufgrund der Zugbelastung, bereits erste Einflüsse von Scherung erkennbar Spannungsabfall am Ende des elastischen Bereichs der Spannungs- Dehnungs-Kurve aufgrund der Scherung Spannungsabfall um 16% im Vergleich zur 0 - Probe! 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

7 Spannungs-Dehnungs-Diagramm für 1 - Proben: Heißpresse σ spezifisch Relevant Eingabe stress für die and analytische strain values for the Simulation simulation Faserwinkel Dehnung [%] Spannung [MPa] ε spezifisch 5 x ± 51 5 x ± 40 5 x ± 35 linearer Bereich 0 / 5 /0 / 5 / ± 24 (Spannungsabgriff schematisch) 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Experimentelle Ergebnisse Section 3: 5 Matrixbrüche aufgrund von Schubspannungen Die Matrixbrüche reduzieren die Laminatfestigkeit Spannungsabfall am Ende der Belastungskurve Spannungsabfall um 63% im Vergleich zur 0 - Probe! 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

8 Experimentelle Ergebnisse Section 4: 0 /5 /0 /5 /0 Überlagerung von Matrixbrüchen und Faserbrüchen Gemischtes Bruchbild aus Zugbeanspruchung und Scherung 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Vergleich der Zugversuchs-Ergebnisse: Autoklav 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Section 1 Section 2 Section 3 Section 4 0 Young s Modulus Force (max.) Strain Stress 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

9 Vergleich der Zugversuchs-Ergebnisse: Heißpresse Zugfestigkeit in Abhängigkeit von der Faserorientierung % % % x 0 5 x 1 0 /5 5 x 5 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Einfluss der Faserorientierung auf die maximale Last F shear F fiber F fiber F shear Reine Zugbelastung: in Faserrichtung Fasern können hauptsächlich Kräfte in Faserrichtung aufnehmen Nicht alle Fasern sind beidseitig eingespannt Schubbelastung: Orthogonal zur Faserrichtung could only be born by the matrix 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

10 Simulation: Analytische Lösung Klassische Laminattheorie (CLT) Materialdaten der Einzelschicht bekannt Transformation der Steifigkeiten in das Laminat-Koordinatensystem Bestimmung der A,B,D-Matrix Bestimmung der Gesamtverformung des Laminats Ermittlung der Schichtdehnungen Ermittlung des Spannungszustands der Einzelschicht Vergleich mit maximal zulässiger Spannung 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Ergebnisse Section 1 bis 3 (Autoklav) σ all = 1979 MPa & τ all = 62,1 MPa Section 1 Section 2 Section 3 5 x 0 5 x 1 5 x 5 (Die Werte sind identisch für alle 5 Schichten) Nominal Aktuell Aktuell Aktuell σ 1 / σ all < 1 1,00 0,86 0,71 0,31 σ 2 / σ all < τ 12 / τ all < ,40 0,87 Nominal values Actual values Referenzwert SGL Zugversuchsergebnisse 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

11 Ergebnisse Section 4 σ all = 1979 MPa & τ all = 62,1 MPa Section 4 0 /5 /0 /5 /0 Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 Schicht 4 Schicht 5 Mittelwert Aktuell σ 1 / σ all < 1 0,75 0,68 0,75 0,68 0,75 0,72 σ 2 / σ all < τ 12 / τ all < 1 0,69 0,86 0,69 0,86 0,69 0,76 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Simulation: Numerische Lösung Ansys FEM Materialdaten der Einzelschicht bekannt Modellierung mit Shell 99 Elementen in APDL Code 100 Knoten in Proben-Längsrichtung 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

12 Contour plot 5 x 0 Proben: Hauptspannung 1 Spannungs-Referenzlinie (x=55 mm) Post-processing and results Spannungsspitze 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Contour plot 5 x 1 Proben: Hauptspannung 1 Post-processing and results Winkelabweichung = 1 y x Contour plot 5 x 5 Proben: Hauptspannung 1 Winkelabweichung = 5 y x 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide

13 Vergleich der Ergebnisse FEM-Simulation und Zugversuch Hauptspannung 1 [MPa] % % % % 5 x 0 5 x 1 5 x 5 0 /5 Experimental results Ansys simulation 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide Zusammenfassung Insgesamt gute Qualität der hergestellten Proben (Autoklav und Heißpresse) Die Qualität der Autoklav-Proben ist tendenziell schlechter Ein winkelgenaues Ablegen der einzelnen Lagen von Hand ist fehleranfällig Sehr starker Spannungsabfall (> 60%) bei Abweichungen in der Faserorientierung zwischen 2 und 5 Abweichung der analytischen Simulation von den Testergebnissen (zu starke Vereinfachungen; Platten aus Autoklav) Gute qualitative und quantitative Übereinstimmung der numerischen Simulation mit den experimentellen Ergebnissen (Platten aus Heißpresse) 2. Augsburger Technologie Transfer Kongress: UD-Prepreg mit Winkelabweichung: Herstellung, Zugversuch und Simulation Slide