Kein Rätselraten mehr bei faserverstärkten Kunststoffen: Genauere Belastungsgrenzen und Crashmodellierung in Digimat

Digimat 2019.1 bietet Maschinenbauingenieuren einen neuen Ansatz, Belastungsgrenzen in sicherheitskritischen Bereichen zu ermitteln. Dieser Ansatz ergänzt reale Testreihen zur Bestimmung von Materialschwankungen und Materialverhalten durch die Simulation und macht ‘virtuelle Coupontests‘ zuverlässiger.

In Digimat wurde Professor Camanhos progressives Schädigungsmodell eingebaut. Mit diesem Modell können Anwender umfassend modellieren, wie die Materialauswahl das Versagen von endlosfaserverstärkten Kunststoffen (CFRP) vom Probestück bis hin zur hergestellten Platte beeinflusst. So können die Belastungsgrenzen genauer bestimmt werden. Ergänzende Modellentwicklungen ermöglichen es den Materialexperten, die Auswirkungen von Schäden wie Porosität, Welligkeit und Delamination besser abzuschätzen, um genauere Sicherheitsfaktoren und geeignete Toleranzen zu berechnen.

Philippe Hébert, Produktmanager bei e-Xstream engineering, sagt dazu: „Bei Metallbauteilen sind Sicherheitsfaktoren und Materialgrenzwerte schon lange Routine. Aber jetzt, wo aus Nachhaltigkeitsgründen der Leichtbau im Kommen ist, brauchen wir auch eine genauere Versagenssimulation für Verbundwerkstoffe in Bauteilen. Aufbauend auf Professor Camanhos ausgedehnten Forschungen können wir den Herstellern nun leistungsfähige Tools an die Hand geben, die ihre realen Tests ergänzen. Damit können sie Kosten sparen und das Material frühzeitig im Designprozess optimieren.”

Die Materialmodellierung wurde auch für CFRP mit hohem Faseranteil verbessert. Mikrostrukturanalysen ersetzen jetzt die zufallsgenerierte Faserverteilung durch realistische Faserpositionen basierend auf dem statistischen Melro-Modell, so dass das Material direkt dimensioniert werden kann.

Komplexe Geometrien so fein mit finiten Elementen zu vernetzen, dass sie den Verbundwerkstoff in der benötigten Detailgenauigkeit abbilden können, ist kaum machbar. Hier ist der neue Fast Fourier Transform (FFT) Solver hilfreich. Dieser Solver kann komplizierte Mikrostrukturen von Faserverbundmaterialien analysieren. Er beschleunigt die Rechnung um Faktor 10 bis 100. Da die zeitraubende Vernetzung wegfällt und die Rechnung schneller geht, können Anwender mehr Materialien über mehr Dimensionen hinweg virtuell ausprobieren.

Digimat 2019.1 bringt auch Fortschritte bei der Simulation des Fertigungsprozesses. Die Entwickler können nun genau die Lebensdauer bis zur Materialermüdung vorhersagen, um kurzfaserverstärkte Kunststoffe (SFRP) zielgerichteter zu optimieren. Aus der fortgesetzten Zusammenarbeit mit DSM Engineering Plastics ist ein neues Modell entstanden, das die Lebensdauermodellierung verbessert und die lokale Plastizität in SFRP unter konstanter Lastamplitude berücksichtigt.

Eine Branchenneuheit ist der Ansatz zur Strukturcrash-Modellierung, mit dem Entwickler besser untersuchen können, welche Auswirkungen typische Herstellprobleme auf Sheet Moulding Compounds (SMCs) haben, beispielsweise beim Leichtbau für den Auslegungspunkt bei Automobilanwendungen. Die Software berücksichtigt variierende Anisotropie, Schadensfortsetzung und Schwächung von Schweißnähten.