Mechanische Berechnung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen und Ermüdungserscheinungen unter realen Zuständen Referent: Simon Gekeler
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
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
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
Strukturmechanik faserverstärkter Materialien mit CAE und Siemens NX Programmen
Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Faserorientierung, Spannungs-Dehnungskurve 7
Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Materialdaten Längs der Fließrichtung Quer zur Fließrichtung 6 mm 75 mm 8
Wahre Spannung [MPa] Wahre Spannung [MPa] Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe PA66 35% Short Fiber 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Spannungs- Dehnungskurven 23 C, Feuchte 3.1% 120 100 80 60 40 20 Spannungs- Dehnungskurven 100 C, Feuchte 3.1% Dehnrate 10 2 /s 10-1 /s 0 0 0 0,02 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
Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Bindenähte Füllvorgang Spritzgießen 10
Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe Bindenähte 11
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
CAE Programme: Molding Mapping CAE Strukturmechanik-Rheologie- Kopplung 13
CAE Programme: Molding Mapping Workflow 14
Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften Werkzeug, Bestimmung der Faserorientierungen 15
Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften / FEM-Spannungsergebnisse Dehnungen im kritischen Bereich! 16
Beispiel: Berechnung mit gemappten Materialeigenschaften / Messwerte Seriengrafik: Statistik: Schirmanguss 3x Anbindung 17
Materialermüdung bei Kunststoffen
Kriechanalysen Materialdaten Spannungs-Dehnungskurven zeit- und temperaturabhängig 19
Kriechanalysen Fallbeispiel: Steckerkontaktierung 20
Kriechanalysen Fallbeispiel: Steckerkontaktierung 12.0 direkt nach Auslenkung nach 1h nach 10h Spannungen/ Dehnungen zeit - und temperaturabhängig 6.0 11.23 9.13 8.33 Spannungen [MPa] Ansicht von unten [MPa] 0 0.010 0.006 [mm/ mm] 0.00669 0.00637 0.00681 Dehnungen [mm/mm] Ansicht von unten 0 21
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 0,5 0 0 2 4 6 8 10 Zeit t [h] 22
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
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
Kontakt Simon Gekeler (M.Eng.) Strukturanalyse +49 (0) 711 252 862 11 simon.gekeler@cae-online.de Humboldtstraße 30-32 70771 Leinfelden-Echterdingen cae-produktentwicklung.de Kevin Morbach (B.Sc.) Account Manager Special Applications +49 (0) 2521 859-476 +49 (0) 176 10201123 (Mobil) evin.morbach@cae-online.de Vorhelmer Str. 81 59269 Beckum cae-produktentwicklung.de 25