Physikalisch-konsistente Simulation der Thermodynamik faserverstärkter Kunststoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Groß
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317335337

Bei der maschinellen Herstellung von rotationssymmetrischen Körpern aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) wie Rohren, Achsen oder Wellen nach einem Wickelverfahren werden sogenannte Rovings verwendet. Rovings sind Faserbündel aus parallel angeordneten Endlosfäden oder Filamenten. Die Anzahl der Filamente liegt im Bereich von mehreren Tausend. Somit ergeben sich Rovings mit einem Durchmesser im Millimeterbereich. Weiterhin werden Rovings durch Weben (drei-dimensionale Fertigungstechnik) zu zwei-dimensionalen Faserhalbzeugen für die Herstellung von FVK-Bauteilen verwendet. Ein anderes Fertigungsverfahren ist die Tailored-Fiber-Placement-Technologie in der Rovings mittels Bindfäden auf einem Basismaterial fixiert werden.Bei diesen Fertigungsverfahren werden also immer Faserbündel (Rovings) verwendet.Die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der resultierenden Metamaterialen kann wie im Projekt (GZ.entfernt) durch Strukturtensoren modelliert werden. Aber eine wichtige Eigenschaft kommt durch die Verarbeitung von Rovings im Vergleich zur Verarbeitung von Filamenten hinzu: die Biegesteifigkeit der Rovings. Eine physikalische Biegesteifigkeit durch eingebettete Rovings wird im Projekt (GZ.entfernt)durch die Strukturtensoren und die verwendeten Tensorinvarianten nicht modelliert. Es werden implizit unendlich dünne Fasern angenommen. Die Biegesteifigkeit der Rovings macht sich bei einer Biegung von FVK-Bauteilen durch große Krümmungsradien unter Last, und kleine Krümmungsradien an lastfreien Rändern bemerkbar. Somit wird ein Finite-Elemente-Netz durch die oben dargestellten gemischten Finite-Elemente-Methoden eindeutig weicher berechnet als experimentelle Ergebnisse es vorhersagen. Dies würde zu einer unnötig starken und damit schweren Dimensionierung führen.Ziel des Fortsetzungsprojektes (GZ. entfernt) ist der Einbezug der korrekten physikalischen Biegesteifigkeit von aus Rovings hergestellten FVK-Bauteilen, sodass die daraus resultierenden Energie-Impuls-Verfahren künstliche Versteifungen durch eine optimale Kombination aus den gemischten Methoden von Projekt (GZ. entfernt) verhindern, aber exakte physikalische Steifigkeiten bei der Simulation berechnen. Weiterhin soll eine weitere Realität bei der Simulation beachtet werden: die Veränderung dynamischer Eigenschaften durch die resultierende Materialinhomogenität. Denn es liegt bei den genannten Fertigungsverfahren ein Mehrskalenproblem mit einer makroskopischen Ebene (Bauteil), einer mesoskopischen Ebene und einer mikroskopischen Ebene (Roving) vor. Im Fall gewebter FVK repräsentiert die mesoskopische Ebene das repräsentative Volumenelement aus dem das Gewebe besteht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen