Experimentelle und virtuelle Analyse von Drapiereffekten und deren Auswirkungen auf das strukturmechanische Verhalten von Faserverbundkomponenten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss der Umformung von trockenen unidirektionalen textilen Gelegen auf das strukturmechanische Verhalten eingehend analysiert. Hierzu wurde eine geeignete Werkzeuggeometrie zur Analyse der auftretenden Drapiereffekte entwickelt. Diese Basisgeometrie ermöglicht eine faltenfreie Umformung der Einzellagen. Dabei zeigten sich insbesondere Klaffungen, transversale Kompaktierung und Scherung als signifikante Drapiereffekte, die den idealen Verlauf der Fasern und die homogene Verteilung des Halbzeugs beeinflussen. All diese Effekte haben einen direkten Einfluss auf den sich im Verbund ergebenden Faservolumengehalt (FVG). Durch eine systematische Analyse der Ausprägung der lokalen Drapiereffekte bei unterschiedlichen Laminataufbauten und unterschiedlichen Prozessrandbedingungen infolge lokaler Niederhalterkräfte konnte das Verständnis der sich nach der Umformung einstellenden Drapiereffekte signifikant verbessert werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurden repräsentative Proben mit vorgegebenen Drapiereffekten zur werkstoffmechanischen Charakterisierung hergestellt. Dabei wurde der gemeinsame Einflussfaktor FVG für den direkten Vergleich der Effekte pro Versuchsreihe konstant eingestellt. Die Versuche zeigten, dass die Drapiereffekte Klaffung und transversale Kompaktierung einen signifikanten Einfluss auf die richtungsabhängigen Festigkeiten haben. Lediglich der Schubfestigkeitsanstieg infolge transversaler Kompaktierung konnte nicht abschließend geklärt werden. Als möglicher Grund wird ein Nestingeinfluss benachbarter Halbzeuglagen oder die besondere Rolle der Nähfäden vermutet. Zusätzlich wurde der Einfluss von Welligkeiten auf das Deformations- und Versagensverhalten untersucht. Hier zeigt sich ein signifikanter Abfall von Steifigkeiten und Festigkeiten, wobei die Ausprägung richtungsabhängig ist. Die experimentell bestimmten Charakteristika konnten durch Simulationen auf Mikroebene bestätigt und weitergehend analysiert werden. Für die am KIT-FAST vorhandenen Drapiersimulationsmodelle für unidirektionale Gelege wurde auf Basis der experimentellen Drapierversuche eine Analyse und Bewertung der Modellierungsungenauigkeiten vorgenommen. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Einfluss des Nähfadens, die auftretende Reibung sowie Rückstellkräfte innerhalb der Preform weiter untersucht werden müssen. Generell ließ sich feststellen, dass die Gesamtdeformation der Preform auch unter variierendem Laminataufbau sehr gut vorhergesagt wird und die Drapiersimulation somit eine solide Grundlage für die Vorhersage lokaler Drapiereffekte bietet. Die auftretenden Drapiereffekte wurden numerisch auf Mikro-, Meso- und Makro-Ebene untersucht. Die für die Modellierung benötigten Materialmodelle wurden auf Basis der umfangreichen experimentellen Untersuchungen entwickelt und parametriert. Die Analyse der Schädigungsmechanismen auf Mikro- Ebene konnte das Verständnis der in den Versuchen beobachteten Effekte deutlich verbessern. Welligkeiten wurde auf Mikro- und Meso-Ebene numerisch untersucht. Dabei bestätigten sich die Ergebnisse und zeigten einen ähnlichen Spannungs-Dehnungs-Verlauf wie im Experiment. Für eine effiziente Auslegung von Faserverbundbauteilen wurden die in Mikro- und Mesomodellen beobachteten Phänomene für ein Materialmodell auf Makro-Ebene zusammengefasst. Zur Beschreibung des Materialverhaltens für variierende FVG und variierende Welligkeitsgrade wurden homogenisierte Modelle analysiert und implementiert. Dabei zeigte der FVG keinen signifikanten Einfluss auf die plastische Verfestigung und die Schädigungsevolution im untersuchten FVG-Bereich, was die Parametrisierung deutlich vereinfacht. Zur Verarbeitung der Daten aus der Drapiersimulation, wie lokaler Faserorientierung, FVG und Welligkeitsgrad, wurden die Materialmodelle mit entsprechenden Schnittstellen implementiert. Zur Validierung des Modells wurden Proben aus der Basisgeometrie entnommen und getestet. Im Rahmen der Vorhersagegüte der Drapiersimulation zeigten die experimentellen und virtuellen Ergebnisse eine gute Übereinstimmung. Zur Analyse der Vorhersagegüte der Drapiersimulation und zum Transfer der Drapiereffekte aus den Versuchen wurde die vorhandene CAE-Kette erweitert. So konnten die Deformationen innenliegender Lagen aus Versuch und Simulation auf einem einheitlichen Netz elementweise verglichen werden. Hier zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung in der lokalen Faserorientierung und der lokalen Flächenänderung, die ein Indikator für den sich einstellenden FVG ist. Die größten Abweichungen zeigen sich in der Dehnung des Nähfadens, was ab 2020 in einem neuen ANR-DFG-Projekt genauer untersucht wird. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die auftretenden Drapiereffekte mit den entwickelten Versuchsmethoden sehr gut charakterisiert und durch strukturmechanische Modelle wiedergegeben werden können. Einzelne experimentell beobachteten Phänomene, wie der Einfluss des Nähfadens im Gelege oder Nestingeffekte, und die damit verbundene Vorhersagegenauigkeit der verwendeten Drapiersimulationsmethoden, sowie der resultierende Einfluss dieser Phänomene auf das strukturmechanische Bauteilverhalten, müssen in weiterführenden Arbeiten untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A macroscopic approach to simulate the forming behaviour of stitched unidirectional non-crimp fabrics (UD-NCF). Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 102: 322–335, 2017
Schirmaier F. J., Dörr D., Henning F., Kärger L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.08.009) - Experimental analysis of draping process generated material imperfections in textile preforms. 18th European Conference on Composite Materials (ECCM18), Athens, Greece, 24.-28.6.2018
Böhm, R.; Kunze, E.; Geller, S.; Gude, M.
- Forming optimisation embedded in a CAE chain to assess and enhance the structural performance of composite components. Composite Structures 192: 143-152, 2018
Kärger L., Galkin S., Zimmerling C., Dörr D., Linden J., Oeckerath A., Wolf K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.02.041) - Simplified phenomenological model of the nonlinear behavior of FRPs under combined stress states. Journal of Composite Materials 52(4): 475–485, 2018
Galkin S., Schirmaier F. J., Kärger L.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/0021998317709332) - Strength of UD-laminates depending on the fiber volume content: experimental tests and modelling. 18th European Conference on Composite Materials (ECCM18), Athens, 25.-28.6.2018
Galkin, S.; Kärger, L.
- Experimental analysis of process induced draping effects in textile preforms. 22nd International Conference on Material Forming (ESAFORM 2019), Vittoria-Gasteiz, 8.-10.5.2019
Kunze, E.; Böhm, R.; Geller, S.; Gude, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5112517) - Experimental and Numerical Determination of the local fiber volume content of unidirectional non-crimp fabric with forming effects. Journal of Composites Science 3 (1), 2019
Galkin, S.; Kunze, E.; Kärger, L.; Böhm, R.; Gude, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/jcs3010019) - Experimental description of draping effects and their influence on the structural behavior of fiber reinforced composites. 22nd International Conference on Composite Materials (ICCM22), Melbourne, 11.-16.8.2019
Kunze, E.; Galkin, S; Gröger, B.; Böhm, R.; Kärger, L.; Gude, M.
