Mehrskalige Finite-Element-Simulation des Tragverhaltens von Faserverbundstrukturen
Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Forschungsprojekt sind neue Mehrskalenmodelle für Faserverbundstrukturen entwickelt worden. Eine übergeordnete Forderung ist dabei die Beibehaltung der üblichen 5 oder 6 Freiheitsgrade an den Schalenknoten auf der Makroebene. Damit können Standard-Randbedingungen angewendet und auch Verschneidungen von dünnwandigen Strukturen behandelt werden. Zum einen wurde ein Zweiskalen-Schalenmodell mit zugehöriger numerischer Umsetzung im Rahmen der FE2-Methode entwickelt. Die RVEs erstrecken sich durch die gesamte Dicke des Laminats. Die Randbedingungen auf dem RVE sind so gewählt, dass einzelne Deformationsmoden nicht behindert werden. Die Methode zeigt ihre Stärke bei der geometrisch und materiell nichtlinearen Berechnung von Schalen, die in der Ebene eine feine Zellstruktur aufweisen. Dies ist z.B. bei Sandwichschalen mit wabenartigen Kernen der Fall. Die lokalen Randwertprobleme können auf mehreren Rechenkernen parallel abgearbeitet werden. Eine Berechnung mit einem sogenannten Vollmodell, bei der eine vollständige Diskretisierung der einzelnen Zellen und der Deckschichten mit Schalenelementen erfolgt, stößt dagegen sehr schnell infolge des Speicher- und Rechenaufwands an Grenzen. Bei in der Tragwerksebene kontinuierlichen Systemen ist das ebenfalls entwickelte global-lokale Schalenmodell vorzuziehen. Numerische Untersuchungen zeigen, dass die Rechenzeiten im Ver gleich zur FE2-Methode deutlich niedriger sind. Durch die Homogenisierung der Spannungen und Steigkeiten in Dickenrichtung liegt ebenfalls ein Zweiskalen-Modell vor. Für Traglastberechnungen von Laminatschalen sind Schichtschädigung sowie Initiierung und Wachstum von Delaminationen zu berücksichtigen. Die dafür notwendige Schnittstelle für dreidimensionale Stoßgesetze liegt vor. In diesem Zusammenhang wurde ein Schädigungsmodell auf Mikroebene mit nachfolgender Homogenisierung der Spannungen und Steigkeiten realisiert. Weiterhin wurde ein Delaminationsmodell entwickelt, welches die Simulation von Reststeifigkeiten ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016) A coupled global-local shell model with continuous interlaminar shear stresses, Computational Mechanics 57 (2), 237-255
Gruttmann F., Wagner W., Knust G.
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(2016) A multiscale finite element model for damage simulations in fiber-reinforced composites, Dissertation, Forschungsberichte des Instituts für Mechanik der Technischen Universität Darmstadt, Band 42
Maaß G.
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(2016) A nonlinear multiscale nite element model for comb-like sandwich panels, Dissertation, Forschungsberichte des Instituts für Mechanik der Technischen Universität Darmstadt, Band 40
Heller D.
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(2016) An adaptive strategy for the multi-scale analysis of plate and shell structures with elasto-plastic material behaviour, Technische Mechanik 36 (1-2), 132-144
Wagner W., Gruttmann F.
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(2016) Nonlinear two-scale shell modeling of sandwiches with a comb-like core, Composite Structures 144, 147-155
Heller D., Gruttmann F.
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(2017) Shear correction factors for layered plates and shells, Computational Mechanics 59 (1), 129-146
Gruttmann F., Wagner W.
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(2017) Theory and numerics of layered shells with variationally embedded interlaminar stresses, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 326, 713-738
Gruttmann F., Knust G., Wagner W.
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(2019) A shell element for the prediction of residual load-carrying capacities due to delamination, International Journal for Numerical Methods in Engineering 18, 132-158
Gruttmann F., Knust G.
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(2019) Theorie und Numerik interlaminarer Spannungen und Delaminationen in geschichteten Verbundschalen, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Technischen Universität Darmstadt
Knust G.
