Wie die multiphysikalische Simulation bei der Entwicklung von Verbundstrukturen hilft

Simulation Wie die multiphysikalische Simulation bei der Entwicklung von Verbundstrukturen hilft

27.08.2019 | Autor/ Redakteur: Pawan Soami / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Verbundwerkstoffe sind eine Schlüsseltechnologie für den Leichtbau. Um hochgenaue und zuverlässige Verbundstrukturen zu entwickeln, ist ein tiefes Verständnis des Verhaltens solcher Materialien notwendig. Simulation ist hierfür ein geeignetes Werkzeug.

Firmen zum Thema

COMSOL Multiphysics GmbH

Franke GmbH

Stratasys Ltd.

Zentrum für wissenschaftliche Weiterbildung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Gleichmann & Co Electronics GmbH

Schicht für Schicht zum passenden Verbund mit dem Composite Materials Module, einem Add-on zum Strukturmechanikmodul der Simulationssoftware von Comsol.
(Bild: Comsol)

Damit Verbundwerkstoffe eine breite Akzeptanz bei der Herstellung finden, ist ein gründliches Verständnis des Verhaltens solcher Materialien notwendig, um die genauen und zuverlässigen Verbundstrukturen zu entwerfen. Zu diesem Zweck ist ein CAE-Tool erforderlich, mit dem verschiedene multiphysikalische Phänomene sowohl für traditionelle Materialien als auch für Verbundwerkstoffe modelliert werden können.

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Die Simulationssoftware Comsol Multiphysics ermöglicht es dem Anwender, eine Vielzahl von Materialtypen für Anwendungen, die ein oder mehrere physikalische Phänomene wie Strukturmechanik, Akustik, Fluidströmung und Wärmetransport betreffen, in einer einzigen GUI zu modellieren.

Auf dem 4. Anwendertreff Leichtbau stellt Comsol die Software vor. Beispielhaft wird die Optimierung einer Windturbinenschaufel erläutert.

Verschiedene Phänomene in einer Umgebung simulieren

Die Simulationssoftware Comsol Multiphysics ermöglicht es dem Anwender, eine Vielzahl von Materialtypen für Anwendungen, die ein oder mehrere physikalische Phänomene wie Strukturmechanik, Akustik, Fluidströmung und Wärmetransport betreffen, in einer einzigen GUI zu modellieren. Das Composite Materials Module, ein Add-on zum Structural Mechanics Module, nutzt eine spezielle Schichtmaterialtechnologie und bietet zwei Ansätze, mit denen Verbundwerkstoffschalen genau modelliert werden können: die schichtweise Theorie und die äquivalente Einschichttheorie.

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Was sind Verbundwerkstoffe?

Ein Verbundwerkstoff entsteht durch die Kombination von zwei oder mehreren integrierten Komponenten, die oft sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Kombination dieser Materialien verleiht dem hergestellten Verbundwerkstoff verbesserte strukturelle Eigenschaften. Das neue Material kann aus vielen Gründen bevorzugt werden: Gängige Beispiele sind Materialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Materialien stärker, langlebiger, leichter oder kostengünstiger sein können. Typische Verbundwerkstoffe sind: verstärkte Kunststoffe wie faserverstärktes Polymer oder Glasfaser, keramische Matrixverbunde (Verbundkeramik- und Metallmatrizen) sowie Metallmatrix-Verbunde. Diese Verbundwerkstoffe werden häufig in Flugzeugen (z.B. Tragflächen und Rümpfe), Verteidigungsanwendungen (z.B. Panzer und U-Boote), im Bauwesen (z.B. Rahmen und Paneele), in Konsum- und Sportartikeln (z.B. Tennisschläger- und Golfschlägergriffe) sowie in diversen Automobilkomponenten eingesetzt.

Modellierung von Verbundlaminaten

Das Composite Materials Module von Comsol ist ideal für die umfassende Modellierung von Verbundlaminaten in verschiedenen Längenskalen (Multiscale Modeling). Dieses Modul beinhaltet eingebaute Schnittstellen und Materialmodelle zur strukturellen Simulation von Verbundlaminaten. Neben den regelmäßigen Strukturanalysen (wie stationäre, eigenfrequente, transiente, lineare Knickung und andere Analysen) kann man auch Versagens-, Delaminations- und Multiskalenmodellierungen durchführen.

Features für die Analyse

Die Analyse eines Verbundlaminats ist vergleichsweise schwierig, da es sich um unterschiedliche geometrische Maßstäbe handelt. Folgende Funktionen stehen zur Verfügung:

Die mikromechanische Analyse, basierend auf dem Equivalent Single Layer Ansatz, hilft bei der Bestimmung der homogenisierten Materialeigenschaften einer einzelnen Schicht (z.B. Laminat) oder einer repräsentativen Einheitszelle. Die Modellierung einzelner Fasern in jeder Schicht des Laminats ist nicht möglich. Stattdessen wird ein vereinfachtes mikromechanisches Modell verwendet, um die elastischen Eigenschaften einer einzelnen Schicht abzuschätzen. Diese Eigenschaften werden dann im homogenisierten Modell des laminierten Verbundes verwendet.

Andererseits kann man mit Comsol auch das Verhalten eines mehrschichtigen Laminats unter verschiedenen Lastbedingungen berechnen (Makromechanik). Verbundwerkstoffe bestehen aus mehreren Schichten, die miteinander verklebt oder laminiert sind, und manchmal kann die Verbindung zwischen den beiden Schichten in einem bestimmten Bereich aufgehen. Die Modellierung dieser Delamination ist besonders wichtig, um das Verhalten eines beschädigten Verbundlaminats genau vorherzusagen. Comsol verfügt über spezifische Schnittstellen, die auf der Schichttheorie basieren, um dies zu ermöglichen.

Multiphysikalische Effekte modellieren

Verbundlaminate werden basierend auf den strukturellen Anforderungen in den meisten Anwendungen entworfen. Es gibt jedoch einige Fälle, in denen auch andere physikalische Phänomene berücksichtigt werden müssen. In diesen Fällen kann die Art der Interaktion zwischen dem Verbundwerkstoff und anderen Prozessen entweder innerhalb der Laminatschichten oder mit dem Laminat als Rand auftreten. Beide Arten von Wechselwirkungen können in Comsol untersucht werden. Für die Untersuchung thermischer und elektrischer Effekte wie Joulesche Erwärmung und Wärmeausdehnung ist es wichtig, das Laminat auf der Grundlage der kombinierten Reaktion verschiedener Schichten zu gestalten. Durch den Einsatz verschiedener physikalischer Interfaces für Elektromagnetismus und Wärmetransport im gleichen Schichtmaterial kann die Kopplung dieser Phänomene genau analysiert werden.

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Weitere Anwendungen der Multiphysik-Software

Bei bestimmten anderen physikalischen Prozessen, wie beispielsweise der Fluid-Struktur-Wechselwirkung zwischen einem Verbundlaminat und einem umgebenden Fluid, wirkt das Laminat als Rand. Mittels einer auf der äquivalenten Einschichttheorie basierenden Studie ermöglicht eine spezielle multiphysikalische Kopplung der Akustik mit Verbundwerkstoffen auch die detaillierte Untersuchung der akustisch-strukturellen Interaktion mit geschichteten linearen elastischen Materialien.

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Drei Fragen an Pawan Soami

Warum hat Comsol das Modul für Verbundwerkstoffe entwickelt?

Verbundwerkstoffe haben viele Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Bereichen, jedoch ist ein gründliches Verständnis des Verhaltens solcher Materialien notwendig, um zuverlässige Verbundstrukturen zu entwerfen.

Was sind die Vorteile für Entwickler?

Da Verbundlaminate aus mehreren Schichten verschiedener Materialien, Faserorientierungen, Dicken usw. bestehen, bietet das Composite Materials Module eine Reihe von speziellen Werkzeugen, um den Aufbau zu visualisieren und die Informationen auf komfortable Weise bereitzustellen. Da Verbundlaminate anisotrop und meist heterogen in der Durchsteckrichtung sind, reicht es in der Regel nicht aus, die Ergebnisse nur auf der Referenzoberfläche auszuwerten. Sie müssen die Ergebnisse sowohl innerhalb jeder Schicht als auch in der Durchlaufrichtung auswerten können.

Für welche Probleme ist das Modul geeignet?

Das Composite Materials Module enthält Schnittstellen und Materialmodelle zur Simulation von Verbundlaminaten, je nachdem, welche Schichtungstheorie bevorzugt und welche Art von Analyse durchgeführt wird. Neben den regelmäßigen Strukturanalysen können auch Schichtversagen- und Multiskalenmodellierungen durchgeführt werden. Zu beachten ist auch, dass zusammen mit dem Optimization Module auch die geometrischen Abmessungen, die Verbundanordnung, die Schichtdicken, die Faserausrichtungen und die Materialeigenschaften Ihrer Konstruktionen optimiert werden können.

* Pawan Soami, Produktmanager Composite Material Module, Comsol

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