Einsatz der Drapiersimulation mittels ANSYS Composite PrePost zur Erstellung von FE Crashmodellen aus endloserverstärkten Kunststoffen

November 2010 126.04.2012 7. CADFEM AUSTRIA USER`S MEETING 1© VIRTUAL VEHICLE
COMET K2 Competence Center - COMET K2 Forschungsförderungsprogramm - Gefördert durch das Österreichische Bundesministerium für Verkehr und Technologie (BMVIT),
das Österreichische Bundesministerium für Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend, (BMWFJ), die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG),
das Land Steiermark sowie die Steirische Wirtschaftsförderung (SFG)
"Einsatz der Drapiersimulation mittels ANSYS Composite PrepPost
zur Erstellung von FE-Crashmodellen aus endlosfaserverstärkten
Kunststoffen"
Robert Szlosarek Clemens Rohne Dr. Thomas Karall

Inhalt
1. Orthotropie von Faser-Kunststoff-Verbunden
2. Spezielle Anforderungen an die FE-Modellierung
3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost 13.0
4. Beispielsimulationen
5. Zusammenfassung

Inhalt
5. Zusammenfassung

Quelle: Privataufnahme Thomas Karall

Verhältnis der Oberflächen = 67:1!
Oberfläche = 6 mm²
Oberfläche = 400 mm²
10 µm
1 mm³
1 mm
• Ein Werkstoff in Faserform hat eine vielfach höhere Festigkeit als der
gleiche Werkstoff in jeder anderen Form.
• Je dünner dabei die Faser, umso höher ist die Festigkeit.
Verhältnis der Oberflächen =
67:1!
Faserverbundwerkstoffe sind die Paradewerkstoffe des Leichtbaus

Anisotropes Materialverhalten

orthotropes Material:




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
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

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

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



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

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12
31
23
32
23
1
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3
32
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12
3
31
2
21
1
12
31
23
3
2
1
1
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0
1
0000
00
1
000
000
1
000
1
000
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
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

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

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
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

G
G
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EEE
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isotropes Material:
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x
xy
zx
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
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
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
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0)1(20000
00)1(2000
0001
0001
0001
1

Quelle: Ehrenstein, G.; Faserverbund-Kunststoffe (2006)

1. 2.
FF F
F

Inhalt
5. Zusammenfassung

Faserorientierung in LS-DYNA:
• Faserorientierung wird für das gesamte Bauteil angegeben
• Definition eines globalen Vektors auf das Bauteil
Beispiel Halbkugel:
UD-Gelege:

Umsetzung in LS-DYNA

Quelle: Dong, L., Lekakou, C., Bader, M.G. : Processing of Composites: Simulations of the Draping of Fabrics with Updated Material Behaviour
Lösungsmöglichkeiten
jedes Einzelelement wird als
seperates Bauteil definiert
manuelle Definition
empirische Ansätze
Fertigungssimulation
automatisierte Definition
analytischen Ansätze

Inhalt
5. Zusammenfassung

3. Möglichkeiten des ANSYS Composite PrepPost
Was kann der ANSYS PREPPOST 13.0 (ACP)?
 ermöglicht Drapiersimulation
Definition des Faserwinkels für jedes Element einzeln
Dickenänderungen infolge Drapieren werden berücksichtigt
Eigenschaften des Gewebes werden berücksichtigt
Schalen- und Solidelemente können drapiert werden
Zuschnitt wird ausgegeben
Vorspannungen werden nicht abgebildet
Was ist Drapieren?
„ Als Drapierung bezeichnet man die Formänderung von zweidimensionalen Textilien
und Fasermaterialien […], bei Anpassung an eine vorgegebene dreidimensionale
Geometrie.“

Wie wird die Drapiersimulation im ACP umgesetzt?
Quelle: Lin et al.: Finite element modelling of fabric shear (2009)
Quelle: Prododromou,Chen: On the relationship between shear angle and wrinkling of textile composite
preforms (1997)
„Pin-Jointed-Net“ - Modell „Trellis“ - Effekt

Laminataufbau: 0°/90°/90°/0°
0°-Faserorientierung
+45°-Faserorientierung90°-Faserorientierung
vor Drapiervorgang
nach Drapiervorgang
0°- Schicht 90°- Schicht

Scherung mit ACP:
Scherung zeichnet sich an signifikanten Stellen ab
0°-Faserrichtung

Inhalt
5. Zusammenfassung

Halbkugel [0°/90°]S , LS-DYNA

Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg
 deutliche Unterschiede in Kraft- und Energieverlauf!

undrapiert drapiert
 deutliche Unterschiede im Versagensverhalten!

Beispiel Dachrahmen

Laminataufbau: +45°/-45°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/-45°/+45°

Darstellung der Kraft- und Energieaufnahme über dem Impaktorweg
 undrapiertes Bauteil wird überschätzt!

undrapiert drapiert

Inhalt
5. Zusammenfassung

Zusammenfassung:
o die Steifigkeit und Festigkeit eines Bauteils aus Faser-Kunststoff-
Verbunden wird primär durch die Faserorientierung bestimmt
 Faserorientierung muss in der Simulation korrekt abgebildet
werden, um eine ausreichende Prognosegüte zu erhalten
o neben der Faserorientierung ändert sich auch die Laminatdicke
infolge des Drapierens
 kann durch ACP abgebildet werden
o Produktionsprozess kann in einem frühen Entwicklungsstadium auf
Faltenbildung untersucht werden
o Möglichkeit der Bauteiloptimierung durch Simulation (Variation
Laminataufbau, Faserorientierung, lokale Verstärkungen)
5. Zusammenfassung

Mehr Informationen
www.v2c2.at
…bringing the parts
together.
Die Autoren danken dem „COMET K2 Forschungsförderungs-Programm“ des Österreichischen Bundesministeriums für Verkehr,
Innovation und Technologie (BMVIT), des Österreichischen Bundesministeriums für Wirtschaft, Familie und Jugend (BMWFJ), der
Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG), des Landes Steiermark sowie der Steirischen Wirtschaftsförderung
(SFG) für die finanzielle Unterstützung.
Robert Szlosarek robert.szlosarek@v2c2.at
Thomas Karall thomas.karall@v2c2.at
Clemens Rohne clemens.rohne@gmx.de

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