Simulation Wie die multiphysikalische Simulation bei der Entwicklung von Verbundstrukturen hilft

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.

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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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.

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.

Dossier Simulation

Wie Simulation die Produktentwicklung verbessert

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.

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.

* Pawan Soami, Produktmanager Composite Material Module, Comsol

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