Motivation

Der Einsatz von Schalenelementen in der numerischen Simulation von Verbundwerkstoffen ist beschränkt auf dünne Strukturen und Fälle mit vernachlässigbarer Spannung in Dickenrichtung. 
Für zahlreiche Anwendungen treffen diese Annahmen jedoch nicht zu. Beispielsweise bestehen Hochdrucktanks für zukünftige Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb aus extrem dickem CFK-Laminat. Desweiteren können Impaktereignisse bei CFK zu hohen Zug- und Druckspannungen in Dickenrichtung führen. Für solche Anwendungen sind geeignete Material-
modelle und Diskretisierungstechniken nötig. Beides wird am Ernst-Mach-Institut, EMI, entwickelt.

Materialmodellierung

Verbundwerkstoffe zeigen höchst komplexe Materialeigenschaften. Auf der makromechanischen Skala müssen dabei folgende physikalische Phänomene richtig modelliert werden:

•  Elastizität
•  Plastizität
•  Viskosität
•  Schädigung
•  Versagen
•  Zustandsgleichung (equation of state EOS)

Im Gegensatz zur Elastizität und zum Versagen wird die Zustandsgleichung (EOS) bei der Simulation von Crash-Vorgängen nicht explizit modelliert. Die Beschreibung der EOS gewinnt fundamentale Bedeutung, wenn etwa bei Impaktprozessen Stoßwellen auftreten. Zum Beispiel sind Satellitenwände, die häufig aus CFK bestehen, dem Impakt durch Teilchen des Weltraummülls ausgesetzt. Am EMI werden solche Impaktereignisse mit orthotropen Kontinuumsmodellen simuliert, die auf experimentellen Untersuchungen basieren und eine polynomiale EOS verwenden.

Die quantitative Validierung des Materialmodells kann auch über Planar-Platten-Impakt-Versuche erfolgen. Diese ermöglichen den direkten Vergleich experimentell und numerisch ermittelter Oberflächengeschwindigkeiten.

Numerische Umsetzung

Neben der theoretischen Materialmodellierung sind weitere Schritte nötig, um FE-Simulationen an Verbundwerkstoffen durchzuführen. Das EMI bietet folgende Alternativen an:

•  Erstellung von Materialkarten für kommerzielle FE-Programme
•  Erweiterung existierender Materialmodelle über User-Subroutinen
•  Entwicklung und Implementierung neuer Materialmodelle
•  Validierungsversuche und deren Simulation auf Komponentenebene
•  Entwicklung neuer numerischer Ansätze im institutseigenen FE-Code SOPHIA

Um beispielsweise große Deformationen und Versagen von CFK unter Crash-Belastung abzubilden, können adaptive Diskretisierungsansätze nützlich sein. SOPHIA ermöglicht während der Simulation den adaptiven Wechsel der Diskretisierungsmethode von finiten Elementen zur netzfreien SPH-Methode(Smoothed Particles Hydrodynamics). Darüber hinaus können über Knotenteilung Delamination und Fragmentierung simuliert werden, die während eines Crash-Vorgangs an CFK auftreten.

Die Kombination aus erweiterter Materialmodellierung und neuen numerischen Methoden ermöglicht die Simulation von Verbundwerkstoffen auch unter hohen Belastungsgeschwindigkeiten.