Finite Elemente Simulationen einer Composite-Geflechtstruktur

Abstract

Das Thema der vorliegenden Diplomarbeit befasst sich mit der Finite-Elemente-Simulation eines Gewebelaminates, das eine Variante von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) ist. Da dieser Materialtyp heutzutage schon weitverbreitet angewandt wird, ist die Untersuchung des Verhaltens der FVK ausschlaggebend. Das in das kommerzielle Finite-Elemente-Programm Abaqus integrierte Materialmodell Abq-Ply-Fabric ist für die Berechnung von Gewebelaminaten mit homogenisierten Schichten geeignet. Dennoch ist es wichtig, zur ausführlichen Untersuchung von geflochtenen Strukturen eine detaillierte Gewebestruktur zu simulieren. Das Ziel dieser Arbeit ist die folgende Frage zu beantworten. Kann man Abaqus/Explicit mit dem Materialmodell Abq-Ply-Fabric zur Berechnung einer Composite-Geflechtstruktur mit Plastizität verwenden? Die Struktur ist detailliert modelliert, also betrachtet man die einzelnen Faserbündel und Matrixtaschen aufgrund der mesoskopischen Skalenlänge. Die Faserbündel werden als transversal isotrope unidirektionalen Schichten (UD-Schichten) mit Schädigung und Plastizität unter der Verwendung von Abq-Ply-Fabric, und die Matrixtaschen als isotropes Material mit Drucker-Prager Plastizität modelliert. Das elasto-plastische Versagen von FVK dient als Grundbasis zum Verständnis des Verhaltens der faserverstärkten UD-Schichten. Die Schädigungsmechanik gibt Information über das Verhalten nach der Schädigungsinitiierung. Die Finite Elemente Simulationen sind geeignet, das Verhalten des Gewebes sichtbarer bzw. besser auswertbar darzustellen als mit einem Versuch in der Realität. Das Letztere ist kaum oder gar nicht möglich aufgrund der komplexen Struktur der faserverstärkten Kunststoffe. Das Materialmodell Abq-Ply-Fabric bringt die Verwendung der expliziten Zeitintegration von Abaqus/Explicit mit sich. Um eine kleinere Rechenzeit zu erhalten, kommt die Massenskalierung zum Einsatz. Die Simulationen wurden mittels Abaqus/Explicit 2018 (Dassault Systemes SIMULIA Corp. 1301 Atwood Avenue, Suite 101W Johnston, RI 02919, USA) durchgeführt. Mit den Ergebnissen kann man feststellen, dass das Materialmodell Abq-Ply-Fabric das richtige Verhalten der detaillierten Composite-Geflechtstruktur - aus einzelnen UD-Faserbündeln und Matrixtaschen - darstellen kann. Dies bedeutet, dass die Gewebestrukturen genauer bestimmt und dementsprechend effizienter an die Anforderungen angepasst werden können.

The topic of this diploma thesis deals with the finite element simulation of a fabric laminate, which is a variant of fiber reinforced polymers (FRP). Since this type of material is already widely used today, the examination of the behavior of the FRP is crucial. The material model Abq-Ply-Fabric, which is built in the commercial finite element program Abaqus, is suitable for laminates with homogenized fabric plies. Nevertheless, the simulation of a detailed fabric structure is important to be able to study the behavior of the fabric laminates more extensively. The aim of this thesis is to answer the following question. Can Abaqus/Explicit be used with the material model Abq-Ply-Fabric for the calculation of a composite braid structure in consideration of plasticity? The structure is modeled in detail, so the individual fiber bundles (tows) and matrix pockets are considered, which represents mesoscopic length scale. The fiber bundles are modelled as transversally isotropic unidirectional layers (UD layers) with damage using Abq-Ply-Fabric, and the matrix pockets as isotropic material with Drucker-Prager plasticity. The elasto-plastic failure modes of the FRP serve as a basic element for understanding the behavior of the fiber-reinforced UD layers. The damage mechanics gives information about the behavior after the damage initiation. The finite element simulations are suitable for visualizing the behavior of the fabric structure, which is hardly or not at all possible with a test in reality because of the complex structure of the fiber reinforced plastics (FRP). The material model Abq-Ply-Fabric implies the use of explicit time integration of Abaqus/Explicit. In order to obtain a smaller computing time, mass scaling is used. The simulations were performed using Abaqus 2018 (Dassault Systemes SIMULIA Corp. 1301 Atwood Avenue, Suite 101W Johnston, RI 02919, USA). According to the results, it can be concluded, that the material model Abq-Ply-Fabric predicts the correct behavior of the detailed composite braid structure consisting of individual tows and matrix pockets. This means that the fabric structures can be more accurately calculated and more efficiently adapted to the requirements.