Lokal unterschiedliche Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen simulationstechnisch nutzen

Leichtbau – schwer gefragt

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Ob es um Energieeinsparung oder um eine möglichst optimale Produktperfor- mance geht – Leichtbau ist das Gebot der Stunde. Faserverbundwerkstoffe spielen dabei eine zentrale Rolle, denn richtig eingesetzt, erfüllen sie durch niedriges Gewicht und gute mechanische Eigenschaften höchste mechanische Ansprüche.

Exklusiv in KEM Der Autor: Ulrich Feldhaus, Inhaber der Agentur fmd Media, Erkrath

Die bisherige Zurückhaltung, Verbundwerkstoffe auf breiterer Front zu nutzen, liegt, neben dem z. T. aufwändigen Fertigungsprozess, vor allem in ihren nichtlinearen anisotropen Materialeigenschaften, die einen vermehrten konstruktiven und simulationstechnischen Aufwand gegenüber konventionellen Werkstoffen erfordern.
Die MSC-Software-Tochter e-Xstream bietet nun mit Digimat ein Lösungsportfolio, mit dem die Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen detailliert untersucht und mit den gewonnenen Daten für Strukturanalysen genutzt werden können.
Voraussetzung für die Simulation anisotroper Werkstoffe
Verbundwerkstoffe verfügen über anisotrope Materialeigenschaften, die sich fertigungsabhängig lokal stark unterscheiden können. Bei der Verarbeitung kurz- faseriger Polymere beispielsweise herrschen während des Füllvorganges in der Kavität unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und –richtungen, die wiederum lokal unterschiedliche Faserausrichtungen in der Mikrostruktur und damit ein entsprechend variierendes Materialverhalten bewirken.
Diese Wechselwirkungen zwischen dem Bauteildesign, dem Fertigungsprozess und dem Materialverhalten sind ohne simulationstechnische Unterstützung kaum zu beherrschen. Leider sind allerdings bei der Formulierung der Inputdaten die benötigten lokalen Materialdaten weitgehend nicht bekannt, weshalb nicht selten ein gemitteltes isotropes Materialverhalten angenommen wird, wodurch das prognostizierte Bauteilverhalten deutlich vom realen Verhalten abweichen kann.
Spezialisten für Composite-Werkstoffe
Das seit 2012 zu MSC Software gehörende belgische Unternehmen e-Xstream hat mit der Digimat-Produktfamilie ein Lösungsportfolio entwickelt, das diesen Missstand beseitigt und Bestimmung, Modellbildung und simulationstechnische Verarbeitung von Materialkenndaten für Composite-Werkstoffe in einem übergreifenden Ansatz integriert.
Digimat ist modular aufgebaut und wird daher sehr flexibel eingesetzt – als eigenständiges virtuelles Materiallabor, als Materialschnittstelle in strukturmechanischen Berechnungen oder als Interface zwischen Prozesssimulation und Strukturmechanik.
Durch den multiskalaren Ansatz können von Untersuchungen der Mikrostruktur eines Werkstoffes bis hin zu umfassenden gekoppelten Analysen auf Systemebene alle Bereiche abgedeckt werden, was das Programm sowohl für Materialhersteller und Lieferanten als auch für die Automobil- und Luftfahrtindustrie, den Elektronikbereich und andere Branchen interessant macht.
Diverse Module
Digimat-MF: Beschreibung des Materialverhaltens von Multiphasen-Systemen auf Basis der Homogenisierungstheorie. Wiedergabe des nichtlinearen Verhaltens z. B. glasfaserverstärkter Polymere in Abhängigkeit von den Ausgangsmaterialien und der Morphologie der Mikrostruktur.
Digimat-FE: Geometrieaufbereitung von Mikrostrukturen für die detaillierte FE-Analyse in externen Solvern. Analysen können über direkte Schnittstellen (Abaqus, Ansys) oder auch unter Verwendung von Geometrieformaten in Marc, MSC-Nastran, LS-Dyna durchgeführt werden.
Digimat-CAE: Direkt-Interface zur Verwendung nichtlinearer Materialien in externen Solvern (Marc, MSC Nastran, Abaqus, Ansys, LS-Dyna u. a.) durch Verlinkung von Digimat-MF als benutzerdefinierte Subroutine. Ersatz herkömmlicher Materialbeschreibungen durch Digimat- Materialmodelle.
Map: Abbildung der in der Spritzguss-Simulation ermittelten Informationen (Faserorientierungen, initiale Spannungen oder Temperaturen) auf das in der Strukturmechanik verwendete Netz.
Plattform-Lösungen
Digimat-RP: Entwicklung faserverstärkter Kunststoffbauteile. Gekoppelte Simulationen in einer für alle Solver einheitlich integrierten Umgebung. Beinhaltet Zugang zu öffentlichen Daten (u. a. von Materialherstellern) sowie Lösungen zum Mapping von Faserorientierungen aus der Prozesssimulation auf die Strukturmechanik.
Digimat-HC: Entwicklung von Composite-Sandwichstrukturen. Optimierung von Composite-Platten mit Honeycomb-Kern unter Verwendung implementierter Standardtests (Biege- und Scherversuche). Angabe der erforderlichen Materialdaten auf makroskopischer Ebene oder auf Mikrostrukturniveau über den Homogenisierungsansatz.
Modellierung auf multiplen Skalen
Digimat-MF (MF: Mean Field Homogenization) ist der Kern für den Aufbau des Materialmodells. Dabei werden auf der Mikro-Ebene Materialeigenschaften (Matrix, Fasern) und Zusammensetzung (Faserart, Volumenanteil, Orientierung) definiert, die dann auf Makroebene gemittelte Composite-Eigenschaften liefern. Solche mikromechanischen Materialien werden mit Messdaten (ISO 527, eigene Versuche) parametrisiert und es entstehen Modelle, die lokale Materialeigenschaften unter Berücksichtigung der Faserausrichtung beschreiben.
Für den Einsatz in Strukturanalysen muss die in der Prozesssimulation ermittelte Ausrichtung der Fasern bekannt sein. Dies geschieht mittels Mapping auf das Strukturnetz, wodurch die Mikromechanik in die ge- koppelte Simulation eingebunden wird. I

Info & Kontakt
MSC Software Dr. Jan Seyfarth, Produktmanager
Tel: +352 26176607-21
Direkt zur Simulation von Verbundwerkstoffen
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