NCF-CAE: Simulation von Verstärkungsgelegen (NCFs) auf der Basis von computerbasierten isogeomtrischen Schalenelementen, analytischer Materialmodelle und experimenteller Analyse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Gries; Professor Dr.-Ing. Mikhail Itskov, seit 11/2019
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408311698

Gelege (englisch: Non-Crimp Fabrics (NCFs)) sind Verstärkungstextilien für Faserverbundwerkstoffe. Sie bestehen aus mehreren Lagen von parallelen, gestreckten Fasern. Aufgrund ihrer ökonomischen Fertigung werden NCFs in der Automobil- und Luftfahrtindustrie bevorzugt eingesetzt. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Fasern und Einzellagen führen jedoch zu großen Herausforderungen hinsichtlich der numerischen Modellierung. Derzeit gibt es nach unserem besten Wissen kein allgemeines numerischen Modell, mit dem das komplexe Materialverhalten von NCFs präzise und numerisch effizient vorhergesagt werden kann.Das Hauptziel des Projektes ist es, die Berechnungstechnologie zur Simulation des Drapierprozesses von NCFs sowohl hinsichtlich Genauigkeit als auch Effizienz weiterzüntwickeln. Zu diesem Zweck wird ein Berechnungsmodell für NCFs entwickelt und hinsichtlich der Genauigkeit untersucht. Das neue Berechnungsmodell basiert auf verschiedenen Materialmodellen und einem isogeometrischen rotationsfreien Schalenmodell. Die vorgeschlagenen Materialmodelle berücksichtigen alle wichtigen Verformungsmechanismen von NCFs, wie Dehnung, Biegung und anisotrope Scherfestigkeit in der Ebene, Fasergleiten innerhalb und zwischen Faserlagen, sowie die Veränderung des Faservolumenanteils. Diese Eigenschaften werden bisher nicht zusammen in einem einzigen Drapiermaterialmodell erfasst. Das vorgeschlagene Schalenmodell ermöglicht wiederum die effiziente und robuste Simulation der Textileigenschaften einschliesslich der Berechnung von strukturellen Instabilitäten wie Knittern und Scher-instabilität in der Ebene. Zur Entwicklung des Berechnungsmodells werden die Verformungsmechanismen von NCFs durch detaillierte experimentelle Analysen untersucht. Die gewonnenen Daten dienen als Materialeingangswerte und zur Validierung der prädiktiven Fähigkeiten des vorgeschlagenen Schalenmodells. Zudem wird anhand der Daten analysiert, wie das Deformationsverhalten von NCFs durch die Herstellungseigenschaften beeinflusst wird.Das Ergebnis des Projektes ist ein validiertes neues Berechnungsmodell, das im Vergleich zu klassischen Finite-Elemente-Methoden eine höhere Konvergenzrate, höhere Genauigkeit und bessere Robustheit für Drapiersimulationen von NCFs aufweist. Darüber hinaus werden alle Verformungsmechanismen von NCFs umfassend verstanden. Zur Verbreitung der Forschungsergebnisse wird der Finite-Elemente-Code am Ende des Projektes zum kostenlosen Download angeboten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roger A. Sauer, bis 10/2019