Verbundwerkstoffe aus verschiedensten Materialien erlangen immer größere Bedeutung. Die Vorteile einzelner Komponenten lassen sich durch Kombinationen sinnvoll nutzen, um „maßgeschneiderte“ Werkstoffe zu schaffen. FE-Berechnungen und -Analysen sind unerlässliche Hilfsmittel.
Der Autor Dr. Bernd Mlekusch ist Mitarbeiter der APE-Advanced Polymer Engineering, A-Leoben
Verbundwerkstoffe zeigen in ihrer Anwendung ein viel komplexeres Verhalten als isotrope Materialien. Durch die Orientierung und Beschaffenheit der Verstärkungspartikel und -stoffe, ergeben sich richtungsabhängige Eigenschaften. Eine Berücksichtigung dieser spe-ziellen Eigenschaften ist für die Bauteilauslegung unerlässlich und für reale Geometrien nur mittels der FE-Methode möglich. Dabei sind nur in Ausnahmefällen sämtliche für FEM-Berechnungen notwendigen Kennwerte aus Messungen bekannt. Jede Veränderung des Aufbau bringt zwangsläufig eine Veränderung der Kennwerte.
Richtungsabhängigkeit bringt Parameter-Vielfalt
Durch Richtungsabhängigkeit steigt die Anzahl der Beschreibungsparameter für das Material. So sind beispielsweise für eine thermoelastische Problemstellung und für die sehr häufig vorzufindende Materialsymmetrie der Orthotropie neun unabhängige elastische Kenngrößen und drei thermische Ausdehnungs-Koeffizienten notwendig. Sollen diese in Werkstoff-Prüfungsversuchen bestimmt werden, ist eine gleich große Anzahl von Messungen vorzunehmen. Jede Veränderung im Aufbau und in der Orientierung bedingt neue Versuche. Selten sind alle für eine Berechnung erforderlichen Kennwerte vorhanden.
Einen Lösungsweg für die Bereitstellung der erforderlichen Materialkennwerte bieten mikromechanische Modelle. Sie ermöglichen die Bestimmung der Verbundwerte aufgrund der Eigenschaften einzelner Komponenten und Parametern, welche die Verteilung und Gestalt der Verstärkungsstoffe festlegen. Dieses mikromechanische Modell ermöglicht die Berechnung vieler dreidimensionaler Werkstoffkennwerte. Es ist in dem Softwarepaket „Micromec“ der ape GmbH, Leoben/A, umgesetzt, das von der MSC.Software GmbH, Marburg, vertrieben wird. Theoretische Grundlage des Modells bildet die Mean-Field-Theorie nach Mori-Tanaka.
Entscheidende Faserorientierung
Als Eingabeparameter werden die Kennwerte der Komponenten, der Faserorientierung und der Gestalt der Partikel benötigt. Bezüglich der Grundkomponenten werden folgende Voraussetzungen getroffen:
Die Matrix muss isotrop sein, die Verstärkungsstoffe können isotrop oder transversal-isotrop sein.
Als Vorgabe zur Faserorientierung gibt es drei Möglichkeiten:
– Für Langfasern Eingabe der Orientierungswinkel
– Verwendung elliptischer Verteilungsfunktionen (planar oder räumlich)
– Direkte Eingabe eines Orientierungstensors vierter Ordnung
Um die Materialdaten einfach in der FE-Methode nutzen zu können, ist eine direkte Schnittstelle zu MSC.Nastran for Windows vorhanden. Alle Ergebnisse sind grafisch darstellbar. Mit Hilfe von Micromec lassen sich die Kennwerte für Verbundsysteme schnell und einfach berechnen, um in der Folge in FEM-Analysen weitere Verwendung zu finden.
Dabei bleibt das Anwendungsgebiet nicht auf bereits existente Systeme beschränkt. Auch neuartige Strukturen lassen sich abbilden.
Internet
Ausführliche Informationen
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