Simulation anisotroper Leichtbauwerkstoffe

11M2240

Master

Deutsch

5.0

nur Wintersemester

1 Semester

Das Thema Leichtbau spielt insbesondere bei der Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau, Fahrzeugtechnik und Mobilität sowie in den Bereichen Sport und Freizeit eine entscheidende Rolle. Dabei spielen die faserverstärkten Kunststoffe eine besondere Rolle. Durch die anisotropen Eigenschaften lässt sich eine lastpfadgerechte Auslegung mit höchstem Leichtbaupotenzial realisieren. In Bezug auf die Verstärkung wird zwischen Kurz-, Lang- und Endlosfasern unterschieden. Die Herangehensweise zur rechnerunterstützen Auslegung solcher Bauteile ist entsprechend unterschiedlich. 

Während bei Kurz- und Langfasern die Prozesssimulation mit der Struktursimulation gekoppelt wird, findet bei endlosfaserverstärkten Kunststoffen die klassische Laminattheorie Anwendung. Für beide Vorgehensweisen werden in der Vorlesung die theoretischen Grundlagen vermittelt. Hierzu gehören neben der klassischen Laminattheorie auch die anisotropen Materialmodelle für Steifigkeits- und Festigkeitsanalysen. In der Übung werden mittels Finite Elemente Methode (FEM) einfache Bauteilgeometrien aus beiden Bereichen (Kurz-/Langfaser und Endlosfaser) praktisch berechnet.

Vorlesung:

• Einführung in die relevanten Technologien zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile
• Grundlagen zur werkstoffgerechten Auslegung und Dimensionierung technischer (Struktur-)Bauteile
• Grundlagen der Mechanik mit Fokus Festigkeitslehre
• Anisotrope Materialmodelle für Steifigkeit und Festigkeit
• Ermittlung der sogenannten Ingenieurskonstanten (Mischungsregeln und/oder Messung)
• Integrative Simulation kurz- und langfaserverstärkter Kunststoffe
• Strukturmechanik ebener Laminate
• Einführung in die klassische Laminattheorie sowie Versagensmechanismen und Versagensmodelle (Festigkeitshypothesen) für endlosfaserverstärkter Kunststoffe

Übung

• Praxisnahe softwareunterstützte Ermittlung der Ingenieurskonstanten über Mischungsregeln (z.B. mittels eLamX²)
• Ermittlung der Faserorientierung für kurz- und langfaserverstärkte Kunststoffspritzgussbauteile mittels Fließsimulation (z.B. mittels Moldflow)
• Übertragung der Faserorientierung aus dem Prozess- in die Struktursimulation und Berechnung einfacher Bauteilgeometrien (z.B. mittels ABAQUS)
• FE-Simulationen endlosfaserverstärkter Kunststoffbauteile inkl. Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse (insbesondere auch Sandwichstrukturen)
• Optional: FE-Simulation hinterspritzter umgeformter thermoplastischer Organobleche

Der Arbeitsaufwand für das Modul umfasst insgesamt 150 Stunden (siehe auch "ECTS-Leistungspunkte und Benotung").

Aufgrund der erwartungsgemäß hohen Anzahl der Studierenden wird die Übung ONLINE durchgeführt. Dazu installieren die Studierenden die nötige Software (u.a. ABAQUS).

• Klausur oder
• mündliche Prüfung

Die Wahl der Prüfungsart aus den vorgegebenen Optionen obliegt den jeweils Prüfenden. 
Die Wahl der Prüfungsart wird den Studierenden zu Semesterbeginn mitgeteilt.

• Klausur: siehe jeweils gültige Studienordnung
• mündliche Prüfung: siehe jeweils gültigen Allgemeinen Teil der Prüfungsordnung (ATPO)

Hier sind auf jeden Fall die Grundlagen der Mechanik (Statik und Festigkeitslehre) zu nennen. Zusätzlich sind die Grundlagen der Kunststofftechnik (Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren) hilfreich.

Die Studierenden verstehen das strukturmechanische Verhalten anisotroper Werkstoffe am Beispiel der Faserverbundkunststoffe. Sie erkennen den Einfluss des Verarbeitungsprozesses auf die Faserausrichtung. In Bezug auf die Kurz- und Langfaserverstärkung können sie eine gekoppelte Simulation inkl. Mapping der Faserorientierungen aus der Prozess- in die Struktursimulation durchführen. Für endlosfaserverstärkte Kunststoffe erlernen sie die klassische Laminattheorie kennen. Für beide Bereiche verstehen sie die zugehörigen Materialmodelle zur Durchführung der Steifigkeits- und Festigkeitsanalysen mittels Finite Elemente Methode (FEM).

Die Studierenden können erklären mit welchen Modellen sich das strukturmechanische Verhalten anisotroper Werkstoffe beschreiben lässt und wie diese Modelle kalibriert werden. Für die kurz- und langfaserverstärkten Kunststoffe erlernen sie die gekoppelte Simulation und für endlosfaserverstärkten Materialien die klassische Laminattheorie.

Die Studierenden können die aus Statik und Festigkeitslehre erlernten Grundlagen der Strukturmechanik für anisotrope Werkstoffe mittels Finite Elemente Simulation praktisch anwenden. Sie können entscheiden welche Daten sie für die Simulationen benötigen und wie sie diese beschaffen können. Sie können die Ergebnisse der Berechnungen diskutieren und Verbesserungen bei der Konstruktion von Bauteilen aus anisotropen Werkstoffen ableiten.

Die vermittelten Grundlagen wenden die Studierenden im Rahmen eines Praktikums mit kommerzieller Software an praxisrelevanten Bauteilgeometrien an. Damit können sie später sowohl die gekoppelte Simulation als auch die klassische Laminattheorie auf beliebige andere Geometrie übertragen.

• Krumpholz, Thorsten

• Krumpholz, Thorsten