Inhalt. Simulation fortschreitender Schäden am Beispiel von Faserverbundkleinproben

Transkript

1 Simulation fortschreitender Schäden am Beispiel von Faserverbundkleinproben Ein Vortrag von: Hagen König, Technische Universität Dresden Martin Schulz, Eurocopter Deutschland GmbH Technisch-wissenschaftliches Seminar Hochleistungsstrukturen im Leichtbau Themenschwerpunkt: Innovative Simulationen im Leichtbau Universität der Bundeswehr München Neubiberg, Inhalt 1. Test-/ Simulationspyramide 2. Lochleibungsproben / Globale Schadensformen 3. Versagensarten von Faserverbundwerkstoffen 4. Das Cohesive-Modell aus MSC.MARC 5. Idealisierung des FVW mit Cohesive-Elementen 6. Implementierung der TCT-Probe 7. Idealisierung der Amsler-Kurzbiegeprobe 8. Simulation der Schenck-Langbiegeprobe 9. Fazit/Ausblick 2

2 1. Test-/ Simulationspyramide Die Testpyramide: Datenbasis und Grundlage für die Struktureigenschaften 3 2. Lochleibungsproben / Globale Schadensformen Lochleibung Ausreißen Ausreißen Flankenzugbruch Flankenzugbruch/ Aufspalten Quelle: [4] Niu 4

3 3. Versagensarten von Faserverbundwerkstoffen Lokale Versagensmechanismen in FVW Delamination von Faserverbunden 3. a) Lokale Versagensmechanismen in FVW 6

4 3. b) Delamination von Faserverbunden Trennungsbruch zwischen Einzelschichten Verursacht durch Normal- und/oder Schubspannungen Ausgangspunkt: Zwischenfaserbrüche Meist kein rissstoppender Mechanismus Flächige Ausbreitung Delamination aufgrund von Querkraftbiegung Quelle: [7] Schürmann 7 4. Das Cohesive-Modell aus MSC.MARC Spannung aufgetragen über der Relativverschiebung der Elementflächen G c,fe Bilinearer Ansatz Exponentieller Ansatz Bilinear- Exponentieller Ansatz Charakteristischer Zusammenhang der Relativverschiebung von Ober- zu Unterseite bei entsprechenden Spannungen Elastisches Verhalten bis zum Erreichen einer kritischen Öffnungsweite Irreversibler Steifigkeitsverlust bei Überschreitung der maximal ertragbaren Spannung Quelle: [8] MSC.Software 8

5 5. Idealisierung des FVW mit Cohesive-Elementen Kompositwerkstoff Cohesive-Elemente Zusammenschieben der aus Cohesive-Elementen bestehenden Interface-Schicht Koinzidente Elementlage 9 4. Implementierung der TCT-Probe Anwendung der Theorie auf die TCT-Probe Erstellung des FE-Modells Erste Ergebnisse des TCT-Versuchs Resultat der Kennwertanpassung Simulationsergebnisse: TCT-Probe

6 6. a) Anwendung der Theorie auf die TCT-Probe Abmessungen des TCT-Prüflings 11 Quelle: [10] Rapp H., Bansemir H. 6. b) Implementierung der TCT-Probe Seitenansicht des 2D TCT- Modells (Unterbrochene Mittellage hervorgehoben; Cohesive-Schicht zusammengeschoben) 3D FE-Modell der TCT-Probe (Interface-Elemente noch nicht zusammengeschoben) 12

7 6. c) Erste Ergebnisse des TCT-Versuchs Startwerte für die Cohesive-Modelle: Relativverschiebung von Oberseite zu Unterseite eines Elements in Abh. von der Spannung Verschiebung des Kraftangriffspunktes der Probe unter Last d) Resultat der Kennwertanpassung Bestimmung der Zielfunktion: Zeitpunkt des Anstiegseinbruchs im Kraft-Weg-Diagramm Kraft-Weg-Verlauf vor und nach der Anpassung der Eingabeparameter 14

8 6. e) Simulationsergebnisse: TCT-Probe II Erster Anriss und Komplettversagen charakteristische Punkte im Kraft-Weg-Verlauf Detailansicht des Proben- Zentrums vor der Delamination, während der Entstehung erster Risse, und nach dem vollständigen Versagen Quelle: [9] Spenninger G., Bansemir H., Schulz M Idealisierung der Amsler-Kurzbiegeprobe Versuchsanordnung & Modell Erste Berechnungsergebnisse Modellierung des fortschreitenden Versagens Erste Ergebnisse der Progressive-Failure -Analyse Nichtlineares Werkstoffverhalten Simulationsergebnisse: Amsler-Probe

9 7. a) Versuchsanordnung & Modell Verhältnis von Biege- zu Schubspannung 10 Dient der Bestimmung der Interlaminaren Schubfestigkeit (ILS Interlaminar Shear) des eingesetzten Faser-Harz-Systems Erwarteter Schaden: Delaminationen in den Mittelebenen Abmessungen: Stützweite: 40mm Höhe x Breite: 10mm x 15mm 3D FE-Modell 3D FE-Modell, Seitenansicht Quelle: [2] DIN b) Erste Berechnungsergebnisse Vergleich verschiedener Schubmoduln sowie den eingesetzten bilinearen Modellen mit Versuchsdaten Schadensbild des Ausgangsmodells; Ausschließliche Verwendung der Cohesive-Elemente 18

10 7. c) Modellierung des fortschreitenden Versagens I Simulation der komplexen Versagensmechanismen in Faserverbunden Berücksichtigung von Umlagerungseffekten im Falle lokaler Schäden innerhalb des Kompositwerkstoffs Linear elastisches Verhalten zwischen Spannung und Dehnung des Werkstoffs bis zum Erreichen der Festigkeitsgrenze, danach schrittweise oder abrupte Degradation der Steifigkeitsparameter c) Modellierung des fortschreitenden Versagens II In MSC.MARC 2008r1 zur Verfügung stehende Versagenskriterien Beispielhafter Eingabedialog für das Puck-Kriterium 20

11 7. d) Ergebnisse der Progressive-Failure-Analyse Vergleich der Kraft-Weg-Verläufe verschiedener Schubmoduln mit in Versuchen ermittelten Graphen Schadensbild der ersten Berechnung mit Progressive- Failure -Eigenschaften d) Nichtlineares Verhalten der Amsler-Probe Ablesen dreier charakteristischer Punkte aus dem Kraft-Weg-Verlauf des Prüfstandsversuchs Spannungs-Dehnungs-Verhalten im linear-elastischen und im linearplastischen Bereich (Roter Graph entsprechend den in der Software eingegebenen Stützpunkten) Quelle: [8] MSC.Software 22

12 7. e) Simulationsergebnisse: Amsler-Probe II Kraft-Weg-Verläufe bei verschiedenen Eingabeparametern zur Simulation des nichtlinearen Verhaltens Erster Anriss Komplettversagen Reale ILS-Proben nach Versagen (Seitenansicht) Simulation der Schenck-Langbiegeprobe Versuchsanordnung & Modell Erste Berechnungsergebnisse Nichtlineares Verhalten der Schenck-Probe Simulationsergebnisse: Schenck-Probe

13 8. a) Versuchsanordnung & Modell Verhältnis von Biege- zu Schubspannung 50 Dient der Bestimmung der Zug- und Druckfestigkeit des Faserverbunds Erwarteter Schaden: Versagen der äußeren Fasern auf Höhe der Krafteinleitung Abmessungen: Stützweite: 160mm Höhe x Breite: 6mm x 15mm FE-Halbmodell der Schenck-Probe Quelle: [2] DIN b) Erste Berechnungsergebnisse Vergleich der ersten Berechnungsergebnisse mit der aus der Biegetheorie herrührenden Geraden sowie mit Versuchsdaten Gegenüberstellung der Versuchskurve mit Graphen variierender Schubmoduln und der Modellierung des fortschreitenden Versagens bei unterschiedlichen interlaminaren Spannungen 26

14 8. c) Nichtlineares Verhalten der Schenck-Probe Ablesen dreier charakteristischer Punkte aus dem Kraft-Weg-Verlauf des Prüfstandsversuchs Idealisierte Spannungs-Dehnungs-Kurve Quelle: [8] MSC.Software d) Simulationsergebnisse: Schenck-Probe II Kraft-Weg-Verläufe bei verschiedenen Eingabeparametern zur Simulation des nichtlinearen Verhaltens Ergebnisse aus numerischer Simulation: Zerstörte Probe ohne Element-Abschaltung Komplettversagen mit abgeschalteten Elementen Reale Schenck-Probe nach Versagen (Seiten- und Unteransicht) 28

15 9. Fazit/Ausblick Die komplexen Versagensmechanismen in Faserverbunden verlangen immer nach einer Kombination mehrerer Idealisierungsansätze Nachrechnung der Kleinprobenversuche zum Verständnis der zahlreichen Eingabeparameter und Versagensmodelle erbrachte unter Berücksichtigung des Abstraktionsgrades der FE-Modelle eine gute Übereinstimmung mit den realen Versuchen Modellierung der Bauteile nur bis zu einer bestimmten Komplexität sinnvoll Rechenzeit, Arbeitsaufwand Die Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse auf die Implementierung umfangreicherer Teile ist Gegenstand aktueller Untersuchungen 29 Literatur [1] König H., Untersuchungen zur Simulation des Schadensfortschritts in Faserverbundstrukturen mit MSC.MARC, München: Studienarbeit, Technische Universität Dresden, [2] DIN (Ausgabe: ): Prüfung von glasfaserverstärkten Kunststoffen; Biegeschwellversuch. [3] Burghagen S., Das Delaminationsverhalten von Unidirektionalverbunden, München: Diplomarbeit, Universität der Bundeswehr, [4] Niu M. C. Y., Composite Airframe Structures, 1. Auflage, Conmilit Press Ltd., Hong Kong, [5] Bansemir H., Emmerling S., Fatigue Substantiation and Damage Tolerance Evaluation of Fiber Composite Helicopter Components, Forschungsbericht, Corfu, [6] Wiedemann J., Leichtbau, Band 1 & 2, 1. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, [7] Schürmann H., Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden, 2. Auflage, Springer- Verlag Berlin Heidelberg, [8] MSC.Software, MSC.Marc 2008r1 - Marc User's Guide & User Information, MSC.Software Corporation, Softwaredokumentation, Santa Ana, [9] Spenninger G., Bansemir H., Schulz M., The Delamination Behaviour of Carbon Composite Structures Manufactured with the Vacuum Assisted Process (VAP ), Vortrag, Berlin [10] Rapp H., Bansemir H., Analysis of Delaminations and Bonded Joints, Vortrag, Aachen