Mechanische Berechnung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen und Ermüdungserscheinungen unter realen Zuständen. Referent: Simon Gekeler

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2 Mechanische Berechnung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen und Ermüdungserscheinungen unter realen Zuständen Referent: Simon Gekeler

3 Investitionsgüter Konsumgüterdesig Designmanageme n Visualisierungnt Analyse Vorentwurf Entwurf Modellbau Produktentwicklun g Konstruktion Serienbetreuung Prototypenbau Analyse Pflichtenheft Konstruktion Prototyping Akustik Schwingungstechn Bauteilprüfung ik Prüfstandsentwicklu ng Messdatenerfassu Analyse ng Auswertung Lösungsvorschläge Berechnung Optimierung Mehrkörpersystem e Lebensdauer Problemerfassung Modell-Erstellung Berechnung Auswertung 3

4 Unsere Kernkompetenzen Innovativer Full Service Produktentwickler Berechnung Optimierun Mehrkörpersysteg Lebensdaue me r Simulation Die Zukunft der optimalen Bauteilauslegung liegt in den Simulationstechniken. So hat Ihr Bauteil bei uns schon die härtesten Belastungsproben hinter sich, lange bevor es in die Produktion geht. Dafür sorgen wir durch unser Know-how und modernste Technologien wie FEM, Optimierung, MKS und Lebensdauer-ananlysen. Das macht uns zum starken und 4

5 Inhalt Strukturmechanik mit faserverstärkten Kunststoffen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe 3D Mapping Statische implizite Baugruppenberechnungen Elastisch-Plastisch Bindenahtberechnung Materialermüdung bei faserverstärkten Kunststoffen Kriechen Ausblick: Lebensdauerberechnung faserverstärkter Kunststoffe 5

6 Strukturmechanik faserverstärkter Materialien mit CAE und Siemens NX Programmen

7 Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Faserorientierung, Spannungs-Dehnungskurve 7

8 Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Materialdaten Längs der Fließrichtung Quer zur Fließrichtung 6 mm 75 mm 8

9 Wahre Spannung [MPa] Wahre Spannung [MPa] Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe PA66 35% Short Fiber Spannungs- Dehnungskurven 23 C, Feuchte 3.1% Spannungs- Dehnungskurven 100 C, Feuchte 3.1% Dehnrate 10 2 /s 10-1 /s ,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 Wahre Dehnungen [mm/mm] Wahre Dehnungen [mm/mm] 9

10 Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Bindenähte Füllvorgang Spritzgießen 10

11 Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Bindenähte 11

12 CAE Programme: Molding Mapping Mappingprogramm: 1. Übertragung der Kurzglasfaser aus Moldflow bei der Raumtemperatur (Trocken) 2. Bindenahtübertragung aus Moldflow 3. Temperatureinfluss berücksichtigen 4. Feuchtigkeit des Materials berücksichtigen 5. Elastic-Plastic mit dem 12

13 CAE Programme: Molding Mapping CAE Strukturmechanik-Rheologie- Kopplung 13

14 CAE Programme: Molding Mapping Workflow 14

15 Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften Werkzeug, Bestimmung der Faserorientierungen 15

16 Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften / FEM-Spannungsergebnisse Dehnungen im kritischen Bereich! 16

17 Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften / Messwerte Seriengrafik: Statistik: Schirmanguss 3x Anbindung 17

18 Materialermüdung bei Kunststoffen

19 Kriechanalysen Materialdaten Spannungs-Dehnungskurven zeit- und temperaturabhängig 19

20 Kriechanalysen Fallbeispiel: Steckerkontaktierung 20

21 Kriechanalysen Fallbeispiel: Steckerkontaktierung 12.0 direkt nach Auslenkung nach 1h nach 10h Spannungen/ Dehnungen zeit - und temperaturabhängig Spannungen [MPa] Ansicht von unten [MPa] [mm/ mm] Dehnungen [mm/mm] Ansicht von unten 0 21

22 Reaktionskraft in Z [N] Kriechanalysen Fallbeispiel: Steckerkontaktierung 2,5 2 Reaktionskraft in Z, 23 C [N] Reaktionskraft in Z, 55 C [N] 1,5 1 Federkraft zeit- und temperaturabhängig 0, Zeit t [h] 22

23 Lebensdaueranalysen mit dem Lösungsprozess Durability In Arbeit: Bewertung von faserverstärkten Kunststoffen Bewertung der Betriebsfestigkeit anhand struktureller Analyseergebnisse in NX möglich: 1. Ermüdungs-Materialeigenschaften hinterlegen 2. Strukturelle Analyse erzeugen 3. Einstellungen bzgl. Betriebsfestigkeitsanalyse vornehmen 4. Berechnen und Ergebnisse auswerten, z.b.: - Sicherheitsfaktor bzgl. der statischen Belastung - Sicherheitsfaktor bzgl. der Materialermüdung - Voraussichtliche Lebensdauer Idee: (Schwingspielzahl) Das Mapping der faserabhängigen Materialeigenschaften durch die Ermüdungs- kennwerte ergänzen Stress Fatigue life

24 Zusammenfassung Strukturmechanik mit faserverstärkten Kunststoffen elastisch-plastisches Materialverhalten Temperatur-, Feuchtigkeits- und Dehnrateneinfluss Faserorientierungen anisotropes Materialverhalten Bindenähte Materialermüdung bei faserverstärkten Kunststoffen Kriechen In Zukunft: Berechnen der Lebensdauer mit dem Lösungsprozess Durability 24

25 Kontakt Simon Gekeler (M.Eng.) Strukturanalyse +49 (0) Humboldtstraße Leinfelden-Echterdingen cae-produktentwicklung.de Kevin Morbach (B.Sc.) Account Manager Special Applications +49 (0) (0) (Mobil) Vorhelmer Str Beckum cae-produktentwicklung.de 25