Nichtlineare Analyse von Faser-Kunststoff-Verbunden : Grundlagen, Methoden und Auswirkungen auf den Konstruktionsprozess

Der zunehmende Einsatz von Faser-Kunststo -Verbund Bauteilen entsteht derzeit nicht nur durch die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten in den klassischen Einsatzgebieten wie z.B. der Luft- und Raumfahrt, sondern auch durch eine branchenübergreifende Erschlie ung neuer Anwendungsbereiche. Dies ist auf Grund der hohen Fertigungs- und Entwicklungskosten nur durch eine leichtbauoptimierte Ausnutzung der Bauteile und/oder durch Funktionsintegration möglich. Eine nachhaltige Entwicklung erfordert deshalb die ständige Verbesserung der bestehenden Berechnungsmethoden, sowie deren Verbreitung. Daraus entsteht die Notwendigkeit, den neusten Stand der Forschung aufdem Gebiet der Faser-Verbund Analyse dem stetig wachsenden Anwenderkreis zugänglich zu machen. Die vorliegende Arbeit setzt dies um, indem der aktuelle Stand der Technik, sowie neu gewonnene Erkenntnisse, in einem neu entwickelten Software-Tool zusammengeführt werden, das dem interessierten Anwender kostenlos zur Verfügung gestellt wird.Die Auslegung von Faser-Kunststo -Verbunden erfordert, auf Grund der Komplexität der Berechnungen, in der Regel den Einsatz von rechnergestützten Methoden. Es bieten sich prinzipiell die Finite-Elemenent-Methode (FEM) und die Berechnung aufBasis der Klassischen Laminattheorie (classical laminate theory: CLT) an. Die Finite-Element-Methode eignet sich für die numerische Berechnung von strukturmechanischen Problemstellungen [Sch99]. Der entscheidende Vorteil der FEM besteht in der Möglichkeit mechanische Fragestellungen zu beantworten, die mit Hilfe von analytischen Methoden nicht oder nur sehr schwer geschlossen lösbar sind (zum Beispiel Krafteinleitungsprobleme, komplexe geometrische Strukturen usw.). Im Gegensatz dazu stehen der teilweise hohe Bearbeitungs-, Rechen-, und Auswertungsaufwand bei der Anwendung der verfügbaren FE-Software Systeme. Zusätzlich entsteht das Problem, dass die mechanischen E ekte, die für die Ergebnisse relevant sind, auf Grund der rein numerischen Lösung teilweise nur schwer zu identi zieren sind. Dies erschwert und verlängert die Optimierung der analysierten Problemstellungen. Die Klassische Laminattheorie basiert aufeiner analytischen Lösung, die für Laminatbereiche au erhalb von Krafteinleitungsbereichen und Laminaträndern gültig ist [Sch07a]. Auf Grund der analytischen Basis kann der Anwender das mechanische Verhalten des Laminats besser beurteilen. Dies ermöglicht eine schnelle Einarbeitung und eine gezielte Optimierung des Laminataufbaus.Mit der Zielsetzung, die aktuellen Berechnungsverfahren einem breiten Anwenderkreis zur Verfügung zu stellen, eine kurze Einarbeitungszeit zu gewährleisten und ein gutes Verständnis für das Laminat zu bekommen, wird deshalb ein neues Software-Tool zur Laminatberechnung auf Basis der CLT entwickelt. Wichtige Arbeitspunkte für die Umsetzung des Vorhabens sind die Entwicklung von geeigneten Algorithmen, die auch eine Berechnung mit nichtlinearem Werksto verhalten ermöglichen. Auf deren Basis können bestehende Theorien angewendet beziehungsweise weiterentwickelt sowie validiert werden. Das entstehende Software-Tool AlfaLam.nl(Advanced layerwise failure analysis of Laminates nonlinear) wird als Grundlage für die Entwicklung von neuen, beziehungsweise verbesserten Auslegungsmethoden für die Laminatanalyse genutzt. Die entwickelten Methoden werden in Form von zusätzlichen Modulen in das Software-Paket integriert und unterstützen somit den Auslegungsprozess.