MeFeX GmbH

Konstruktion und Berechnung von
Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen

μPlate - Klassische Laminattheorie


Mainwindow - Plate

Die Klassische Laminattheorie (CLT) ist das einfachste Werkzeug, um einen geeigneten Laminataufbau (μDesigner) für ein Bauteil zu finden. Sie eignet sich hauptsächlich für schnelle Vorauslegungen und Potentialanalysen. Für Faser-Verbund-Rohre sollte aufgrund der symmetriebedingten Kopplungsunterdrückung μTube genutzt werden.

Die hier aufgeführten Funktionen sind ebenfalls über das implementierte Python-Interface (μPyChain) nutzbar. Damit können sehr einfach automatisierte Parametervariationen und Optimierungen des Laminataufbaus durchgeführt werden. Die Ergebnisse können dann im Anschluss wieder sehr einfach in die GUI importiert und visualisiert werden. Folgende Möglichkeiten stehen zurzeit zur Verfügung:

Design Importieren

Die im μDesigner erstellten Laminat-Designs können sehr einfach in die CLT importiert werden. μPlate erkennt anhand des Schichttyps, ob die Schichten als einfache UD-Schichten oder ausgeglichene Winkelverbunde (AWVs) berechnet werden müssen. Falls es sich um einen AWV handelt, werden die Kennwerte entsprechend umgerechnet. In den angezeigten Ergebnissen werden dann wieder die Spannungen und Dehnungen für die im AWV enthaltenen UD-Schichten aufgelistet, da diese für eine Bewertung des Designs ausschlaggebend sind.

In der Ergebnistabelle werden zusätzlich zu den Berechnungsergebnissen die wichtigsten Eigenschaften der einzelnen Schichten (Winkel, Dicke und Faservolumenanteil) aufgelistet.

Lineare Berechnung

Nach Eingabe der Lasten kann das Laminat berechnet werden. Die Step-Anzeige springt in der linearen Rechnung auf 1. Step 0 entspricht dem mechanisch unbelasteten Composite unter reiner thermischer Last, sofern diese vorliegt. Zusätzlich wird die thermische Last aufgrund von Temperaturdifferenzen im Last-Fenster angezeigt.

In der Ergebnistabelle kann bei AWVs zwischen Schicht 1 und 2 gewechselt werden. Zusätzlich ist es möglich, die Position der angezeigten Ergebnisse auszuwählen. Zur Auswahl stehen TOP, BOTTOM und der Maximalwert. Faser- und Zwischenfaserbrüche werden über spezielle Icons visualisiert, um schnell alle möglichen Probleme des Designs zu erfassen.

Weitere Informationen zur Berechnung

Zusätzlich zu den Berechnungsergebnissen für die einzelnen Schichten werden auch allgemeine Informationen zu dem Design angezeigt. Wird ein Design importiert, werden die Ingenieurskonstanten der Platte berechnet. Der Nutzer kann zusätzlich die Verzerrungen der Referenzebene (Mittelebene des Laminats) anzeigen lassen. Das ist z.B. nützlich um thermische Dehnungen unter Temperaturdifferenzen zu bestimmen.

Optional ist es möglich, die ABD-Matrix (bezogen auf die gewählte Referenzebene) des Designs anzuzeigen. Damit kann das elastische Verhalten des Laminats z.B. in externer FEM-Software nachmodelliert werden. Zudem erkennt der Nutzer, ob Kopplungen im Laminat vorliegen und wie groß diese sind.

Ergebnisse Visualisieren

Die Spannungen im Faserkoordinatensystem der UD-Schicht können grafisch über der Laminatdicke dargestellt werden. Zur leichteren Zuordnung der Positionen im Graph wird die aktuelle Schicht interaktiv in der Legende angezeigt. Zusätzlich kann durch einen Klick in die Grafik die zugehörige Schicht in der Ergebnistabelle markiert werden. Besonders bei Laminaten mit sehr vielen Schichten erleichtert das die richtige Zuordnung der kritischen Schichten erheblich.

Neben den Spannungen kann ebenfalls die Faserbruchanstrengung und die Zwischenfaserbruchanstrengung visualisiert werden. Der Graf aktualisiert sich automatisch bei einer Änderung des aktuellen Steps. So können z.B. unter Step 0 die thermischen Spannungen ohne mechanische Zusatzbelastung dargestellt werden.

Nichtlineare Berechnung - Degradation

Einige Laminate können deutlich nach Zwischenfaserbruchgrenze betrieben werden. Durch Degradationsprozesse kommt es dann zu Spannungs-Umlagerungen in intakte Schichten. Dadurch kann der kritische Faserbruch deutlich früher auftreten als es lineare Rechnungen vermuten lassen. Um diese Degradationseffekte abzubilden, kann der Rechenvorgang auf nichtlinear geändert werden.

In der nichtlinearen Rechnung werden deutlich mehr Rechenschritte durchgeführt. In einem iterativen Prozess werden Schichten degradiert und Spannungsumlagerungen erfasst. Um Spannungsgradienten innerhalb einzelner Schichten in der Degradation besser zu berücksichtigen, kann jede Schicht zusätzlich intern in Sublayer unterteilt werden. So kann jede Schicht über ihrer Dicke unterschiedlich degradieren.