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Ausgewählte Ausgabe: 06-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Beanspruchungsgerechte Faserplatzierung in Faser-Kunststoff-Verbunden

Stressoptimized Fiber Placement in Fiber-reinforced Composites


Inhalt: Eine Faserplatzierung in Richtung der Hauptspannungen in Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) schöpft die überragenden longitudinalen Steifigkeits- und Festigkeitswerte der Fasern voll aus. Für diese Methodik hat sich die Bezeichnung CAIO (Computer aided internal Optimization) etabliert. Die zu lösende Aufgabe besteht in der Berechnung von Hauptspannungslinien aus Hauptspannungsrichtungen, allgemeiner ausgedrückt: in der Integration von Richtungsfeldern. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass dies für ebene Strukturen sowie für 3D-Schalen über die Simulation orthotroper Wärmeleitung mit hoher Genauigkeit möglich ist. Die gesuchten CAIO-Linien sind die Isothermen. FE-Programme mit entsprechenden Berechnungsoptionen der linearen Statik und orthotropen Wärmeleitung sind dafür geeignet.
Abstract: Fiber placement in composites following principal stress direction is known as the CAIO method (Computer aided internal optimization). This strategy simply emphasizes the fibers superior attributes with regard to longitudinal stiffness and strength. The task to be solved consists in calculating principal stress lines. This work shows that the integration of direction fields for plane structures and 3D-shells can be simulated with high accuracy through orthotropic heat conduction. The CAIO-lines to be calculated are the isothermal lines. FE-programs can be used so far as they have options for linear statics and orthotropic heat conduction.

1 Problembeschreibung

Das Potential von Fasern in einer polymeren Matrix wird in der Konstruktion von Faser-Kunststoff-Verbunden seit Langem ausgenutzt. Verantwortlich dafür sind die überragenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften der Fasern, sofern diese beanspruchungsgerecht platziert sind. Ein Verfahren für eine entsprechende Realisierung ist das Ausrichten der Fasern in die HS-Richtungen (Hauptspannungsrichtungen). In der Lite-ratur ist dieses Vorgehen als CAIO- Verfahren bekannt [1], [2], das durch Schubspannungsfreiheit gekennzeichnet ist.
Die Faserplatzierung in HS-Richtung hat ihre „theoretische“ Überlegenheit gegenüber einem Standard-Kreuz- verbund mit bereichsweise konstanter Faserorientierung (z. B. [0 / 90]s) zumindest für CFK bewiesen ([3], dort auch weitere Referenzen). Ein Teil der Evaluierung eines Laminats wird rechnerisch mit einem FE-Programm durchgeführt, das meist auf der klassischen Laminatstheorie (KLT) basiert. CAIO-Laminate [HS1 / HS2]s unterscheiden sich von Standardlaminaten, zum Beispiel [0 / 90]s, durch unterschiedliche Material-Koordinatensysteme. Im letzteren Fall ist die Materialorientierung bereichsweise konstant, bei CAIO ändert sie sich von Element zu Element.
Zu CAIO gibt es jedoch auch Kritikpunkte:
 1) Der CAIO-Kreuzverbund ist nicht optimal für Strukturbereiche mit vorzeichengleichen Hauptspannungen.
 2) Der reale Faserverlauf muss separat berechnet werden, dafür wurden bisher spezielle Integrationsprogramme eingesetzt. Diese Programme sind aufwendig und liefern häufig ungleichförmige Faserverteilungen.
Der erste Kritikpunkt führt zu einer Erweiterung des originalen CAIO-Verfahrens durch Hinzunahme eines Korrekturwinkels β. Daraus resultiert ein Laminat der Art [HS1 ± β]s. Die Vorgehensweise wird in Kap. 3 an einem Beispiel gezeigt.
Bei CAIO fällt zusätzlich die Ermittlung des realen Faserverlaufs für die Fertigung an. Das Ergebnis dieser Integration geht nicht in die rechnerische Evaluierung des CAIO-Modells ein, ist also eine unabhängige Aufgabe, deren Lösung in Kap. 2 behandelt wird. Wichtigstes Ergebnis ist: Der Anwender benötigt keine Spezialsoftware, er kann die Aufgabe mit „seinem“ FE-Programm lösen.
Der Fokus dieser Arbeit ist auf den 2. Kritikpunkt gerichtet, da erst die Bereitstellung genauer Faserverläufe die Umsetzung der CAIO-Methode auf eine hochwertige Fertigung interessant macht. Die Realisierung erfolgt durch TFP-Verfahren, für ebene Strukturen ist diese Technologie schon viele Jahre im Einsatz [4]. Die Beispiele im 3. Kapitel sollen die CAIO-Methode vorstellen und besonders deren Erweiterungen, die sich durch Integration alternativer Richtungsfelder ergeben, die nicht auf den HS-Richtungen basieren.

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Autoren

Dr.-Ing.  Herbert Moldenhauer

Geschäftsführer  
Dipl.-Ing. H. Moldenhauer GmbH
Im Brückengarten 9a
63322 Rödermark
Tel.: 0 60 74/13 94
E-Mail: hm@fem-moldenhauer.de
www.fem-moldenhauer.de