MeFeX GmbH

Konstruktion und Berechnung von
Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen

Der μDesigner - Ein kurzer Überblick über die Funktionen


Mainwindow - Designer

Der μDesigner ist die Basis für alle Berechnungs- (μPlate, μTube) und Wickelwerkzeuge (μWind). Hier können Werkstoffe und Composite-Designs angelegt und modifiziert werden.

Werkstofferstellung

In der Werkstoffbibliothek können beliebig viele neue Werkstoffe erstellt und modifiziert werden. In der aktuellen Version ist man noch auf orthotrope Werkstoffe beschränkt. Isotrope Werkstoffe können aber natürlich unter Eingabe gleicher Eigenschaften in alle Richtungen als orthotroper Werkstoff angelegt werden. Neben einem Namen kann der gewünschte Faser- / Matrixtyp und Faservolumenanteil eingetragen werden. Zusätzlich wird jeder Werkstoff farblich gekennzeichnet. Das macht die optische Zuordnung in Hybrid-Designs deutlich einfacher.

Elastische Kennwerte der UD-Schicht

Die Eingabe der elastischen Kennwerte erfolgt über ein Klicken in die entsprechende Spalte. Hier können die Ingenieurskonstanten der UD-Schicht eingetragen werden. Im unteren rechten Fenster werden die Steifigkeitsmatrix und die Nachgiebigkeitsmatrix der UD-Schicht angezeigt. Es kann zwischen UD-Schicht und ausgeglichenem Winkelverbund (AWV) gewählt werden.

Zusätzlich können die elastischen Eigenschaften der UD-Schicht über RVE-basierte mikromechanische Beziehungen berechnet werden. Dafür wird auf hinterlegte Eigenschaften der Faser und der Matrix zurückgegriffen. Diese können im Bereich Komponenten eingetragen werden. Wird calibrate with UD properties angewählt, werden die aktuell eingetragenen elastischen Eigenschaften als Kalibrierpunkt genutzt. So kann die mikromechanische Umrechnung auf Basis von Messdaten erfolgen.

Eine Berechnung der elastischen Eigenschaften der UD-Schicht ohne Kalibrierung mit Messdaten ist ebenfalls möglich. Dies sollte aber nur zu Vorauslegungen genutzt werden. Aufgrund schwer zu messender Eigenschaften quer zur Faser und Fertigungseinflüssen sollten Detailauslegungen immer auf Basis von gemessenen UD-Eigenschaften (siehe Prüfverfahren) durchgeführt werden.

Thermische Kennwerte der UD-Schicht

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der UD-Schicht können für 3 Richtungen eingegeben wegen. Dabei ist 1 die Faserrichtung, 2 quer zur Faser in Schichtebene und 3 die Dickenrichtung. Bei transversal Isotropen Eigenschaften sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten in 2 und 3-Richtung identisch.

Bruchkriterium

Als Bruchkriterium ist derzeit nur Puck wählbar. Es kann zwischen der rechenintensiveren dreidimensionalen Formulierung und der für ebene Spannungszustände ausreichenden geschlossenen Lösung gewählt werden. In den internen Berechnungsmodulen wird die Formulierung automatisch an das Problem angepasst. Werden die Schnittstellen zu externer FEM-Software genutzt, wird die angewählte Formulierung verwendet. Es wird empfohlen, immer mit 3D-Formulierung zu rechnen. Wir nutzen einen optimierten Suchalgorithmus für die Bruchwinkelsuche.

Komponenten

In der vorletzten Spalte können die Eigenschaften von Faser und Matrix eingetragen werden. Diese bilden die Basis für alle mikromechanischen Umrechnungen der elastischen Eigenschaften. Zudem können der Faser und der Matrix Preise zugeordnet werden, auf dessen Basis die Kosten für die UD-Schicht berechnet werden. Damit kann z.B. auf Basis der Ergebnisse einer Wickelsimulation eine sehr gute Abschätzung der Masse und der Kosten des Wickelbauteils erfolgen. Der Fasermasseanteil und der daraus resultierende Mischpreis werden ebenfalls berechnet.

In der letzten Spalte wird der Werkstoff eine Farbe zugeordnet, um eine schnelle Zuordnung in der nun folgenden Design-Erstellung zu ermöglichen.

Designerstellung

Sind die Werkstoffe erstellt, können sie in der Designerstellung genutzt werden, um Laminate aufzubauen. Die hier generierten Designs bilden die Grundlage für alle folgenden Fertigungs- und Berechnungsmodule. Die Werkzeuge zum Erstellen und Modifizieren der Designs werden von uns ständig erweitert.

Designgruppe

Um die Entwicklungshistorie des Laminat-Designs nachvollziehbar zu gestalten, wird das Konzept von Designgruppen eingeführt. Composite-Designs können in Gruppen gesammelt werden. Es besteht die Möglichkeit, Gruppen oder einzelne Designs zu exportieren und erneut zu importieren. Innerhalb der Designgruppen können die Designs umsortiert werden. In der Gruppenübersicht werden den einzelnen Designs Kommentare zugewiesen, um Änderungen und Verbesserungen zu dokumentieren.

In der Behälteroptimierung kann der Designgruppe ein eindeutiger Name gegeben werden. Anschließend wird das aktuelle Design in der Wickelsimulation und den Berechnungsmodulen berechnet und bewertet. Nach einer Kommentierung ermöglicht die Copy-Funktion eine schnelle Erstellung eines leicht modifizierten neuen Designs. So lässt sich die gesamte Entwicklungsgeschichte aufzeichnen und sichern.

Design

Im Design-Modul können vorhandene Designs kopiert und modifiziert werden. Schichten können wahlweise als UD-Schicht oder ausgeglichener Winkelverbund (AWV) modelliert werden. Besonders bei Wickelbauteilen werden meist AWVs abgelegt. Üblicherweise müssen diese Schichten dann über 3 UD-Schichten modelliert werden. Das führt zu sehr vielen Schichten und unübersichtlichen Designs. Ein AWV wird von allen folgenden internen Berechnungsmodulen erkannt und verarbeitet.

Die Berechnungsergebnisse entsprechen einer Modellierung mit sehr fein unterteilten UD-Schichten. Neben einer deutlich vereinfachten Modellierung wird auch der Rechenaufwand deutlich reduziert.

Die Eigenschaften der Schichten können in der Tabelle sehr einfach geändert werden. Zusätzlich können Werkstoffe mehreren Schichten gleichzeitig zugewiesen werden. Einzelne Schichten oder Schichtblöcke können sehr einfach innerhalb des Designs verschoben werden.

Wickelparameter

Da ein großer Fokus unserer Software auf der Fertigungssimulation und Berechnung von Wickelbauteilen liegt, besteht die Möglichkeit, im Design alle wichtigen Wickelparameter direkt einzugeben. Zur Berechnung der Musterzahlen und des Ablegeprozesses muss die Bandbreite angegeben werden. Anhand dieser Bandbreite, der Dichte der Faser und des angenommenen Faservolumenanteils kann die Schichtdicke sehr exakt berechnet werden.

Die hier angegebenen Wickelparameter werden hauptsächlich in μWind genutzt. Sollen gewickelte Rohre mit Hilfe von μTube berechnet werden, können die Schichtdicken mit Hilfe der Bandbreite berechnet werden. So ist sichergestellt, dass mit der richtigen Fasermasse gerechnet wird, auch wenn der Faservolumenanteil des realen Bauteils nicht 100% getroffen wird.

Modifikation

Die Möglichkeiten, ein bestehendes Design zu modifizieren, werden von uns laufend erweitert. Die dargestellten Möglichkeiten werden aktuell in laufenden Projekten ausgiebig getestet. Basis für Weiterentwicklungen sind unsere täglichen Erfahrungen mit der Auslegung von FKV-Bauteilen. Besonders bei sehr dickwandigen Bauteilen, wie z.B. Wasserstoffbehältern mit einem Berstdruck von 2000 bar, vereinfachen diese Werkzeuge den Optimierungsprozess deutlich.

Designänderungen sind in wenigen Sekunden umgesetzt und können in den Fertigungs- und Berechnungsmodulen bewertet werden. Zudem besteht die Möglichkeit, mittels Copy und Paste Daten aus Excel-Tabellen zu übertragen.

Designeigenschaften

Neben der grafischen Darstellung des Designs besteht die Möglichkeit, weitere Informationen zu den Eigenschaften des aktuellen Schichtaufbaus anzeigen zu lassen. Neben generellen Angaben zu Dicke, Schichtanzahl und Symmetrie werden auch die Ingenieurskonstanten des verschmierten Designs angegeben und zusätzlich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei symmetrischem Aufbau. Die Eigenschaften werden aktualisiert, sobald das aktuelle Design verändert wird.

Die Übersicht kann genutzt werden, um Membran- oder Biegesteifigkeiten zu optimieren oder die Dehnung unter thermischen Lasten zu minimieren. Weiterführende Auswertemöglichkeiten können dann in der Plattenberechnung durchgeführt werden.