Leitprojekt CFK Rumpf NG
15.02.2011 von 09:00 Uhr – 17:00 Uhr Golden Tulip Hamburg
Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG
Simulation des Strukturverhaltens
Dr. A. Kling, Dr. T. Wille, J. Kreikemeier, D. Chrupalla, Dr. L. Kärger, F. Odermann
Leitprojekt CFK Rumpf NG 2
Einleitung
Virtuelles TestenMethoden und Tools für virtuelle VersuchsständeVon Coupon bis Komponenten LevelThemen: Schadenstoleranz, Stabilität,
Versagen, Large DamageInnovative Versuchs-
und MesstechnikVerification
and ValidationIntegration der Methoden in multiskalen
Ansätze
Schnelle Tools für Auslegung und OptimierungWeiterentwicklung der Tools für:
NachbeulverhaltenImpact, Restfestigkeit, etc.
Integration der Methoden in multiskalen
Ansätze
EU-FP (ALCAS, MUSCA, COCOMAT, ITOOL, VIVACE, MAAXIMUS, glFEM, DAEDALOS), LuFo
Experiment Analysis
A380 FuselageSource: Airbus
Experiment (ARAMIS)
Simulation(ABAQUS)
currentfuture
ENFDCBetc.
validation
MultiscaleAppraoch
Leitprojekt CFK Rumpf NG 3
Wissenschaftliches Ergebnis
Promotionen (im Kontext von CFK-Rumpf NG)
Wetzel, Anja (2009) Zur Restfestigkeit schlaggeschädigter Doppelschaler aus Faserverbundwerkstoffen. Dissertation. DLR-Forschungsbericht. DLR-
FB 131-2009/17Hartung, Daniel (2009) Materialverhalten von Faserverbundwerkstoffen unter dreidimensionalen Belastungen. Dissertation. DLR-
Forschungsbericht. DLR-FB 131-2009/12Kling, Alexander (2010) Contributions to Improved Stability Analysis for Design of Thin-walled Composite Structures. Dissertation. DLR-
Forschungsbericht. DLR-FB 2010-01Wilckens, Dirk (2012) –
Stabilität Chrupalla, David (2012) –
EoD
Diverse Veröffentlichungen und KonferenzbeiträgeDiverse Diplom-
und Studienarbeiten
Leitprojekt CFK Rumpf NG 4
Inhalte
Stabilität und Schäden Virtuelles TestenSchnelle ToolsAusbau der Beulanlage
SchadenstoleranzEoD„As built“ AnalyseMultiskalenanalyse
Ausblick
Leitprojekt CFK Rumpf NG 5
Virtuelles Testen – Stabilitätsanalyse und Stringer-Haut-Anbindung
Nichtlineare Schädigungsanalyse
Haut-Stringer AblösungUser SubroutinesKohäsives Element (ABAQUS)
Simulation DCB und ENF Versuche und Vergleich
ParameterstudienVariation der kritischen EnergiefreisetzungsratenVersagensspannung
Anwendung auf das versteifte Panel
Versuch Thermographie FE-Analyse
Schädigungsvariable bei Haut –
Stringer Ablösung
COCOMAT
FEM ARAMIS
Leitprojekt CFK Rumpf NG 6
Virtuelles Testen - Stabilitätsversuche
12 Paneele unter statischer und zyklischer Axialdrucklast erfolgreich getestetVorschädigung durch Teflon Folie sowie Impact unter Stringer berücksichtigt (6 Paneele)ARAMIS VerschiebungsmessungThermographiemessung bei zyklischen Tests
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Shortening [mm]
Load
[kN
]
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
Shortening [mm]
Load
[kN
]
Cycle 0001Cycle 0401Cycle 0801Cycle 1201Cycle 1601Cycle 2001Cycle 2401Cycle 2601Cycle 2801Cycle 3001Cycle 3201Cycle 3401Cycle 3601Cycle 3801 Collapse
P35 P35 P35
Cycle
4002 Kollaps US nach Kollaps
P29
P29
COCOMAT
Leitprojekt CFK Rumpf NG 7
Schnelle Tools – Stabilität
Semi-Analytisches Verfahren (Ritz Ansatz)Stringerversteifte, gekrümmte Schale unter AxialdruckFormulierung des elastischen PotentialsVerwendung trigonometrischer Ansatzfunktionen für Haut und StringerÜberlagerung von gelenkiger Lagerung und EinspannungÜberlagerung lokaler und globaler ModenKopplung der Haut und StringerLösung mit BogenlängenverfahrenMaterialmodell für Verbunde
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,0
Axial Shortening
Load
Par
amet
er
ABAQUSIBUCK
Vergleich Semi-Analytisches Verfahren –
ABAQUS
Tx
Tx
lokalesHautbeulen
Ansatzglobales
Beulen
Leitprojekt CFK Rumpf NG 8
Ausbau der Beulanlage
Paneellänge 2100 mm (Axiallast)Paneellänge 1410 mm (Schub-Druck)Paneelbreite 1200 mmPaneelradius: 1550 mm -
2300 mm
(ausbaubar bis ca. 3500 mm)
Axiallastfall (stat.)Axialkraft: ≤
1000 kNAxialhubweg: ≤
50 mmSchublastfall (stat.)
Schubkraft: ≤
500 kNSchubweg: ≤
100 mm
Vor Ausbau
Ausbau
Shear
LL
LL
UL
ULAxial Compression
Leitprojekt CFK Rumpf NG 9
Stabilitätsanalyse unter Druck und Schubasten
Laufende Aktivitäten
Pre-test
Simulationen der Testpaneele unter Axialdruck-
und SchublastenVersuchsvorbereitung, Versuche
Parameterstudie an grid-versteiften
Paneelen unter Axialdruck-
und Schublasten
Erweiterung des Semi-Analytischen Verfahrens auf Schublastfälle
MAAXIMUS
Sonaca
Paneele
PAG Paneele
Leitprojekt CFK Rumpf NG 10
Stabilitätsanalyse unter Druck und Schublasten
Frame pitch
Omega stringer paneltskin
=t_min
bstringer
1 2
bstringer
2 1
T/J-stringer paneltskin
=t_min
bstringer
3 2
bstringer
4 1
Grid stiffend panel 2
Laufende Aktivitäten
Ausbau der experimentellen Validierungsbasis
Repräsentative Lastfälle aus GFEMDefinition einer Testmatrix (orthotrop und grid)Berücksichtigung offener und geschlossener StringerprofileStringer und Spantabstände signifikant größer als State of the Art Verringerung der Hautdicke
MAAXIMUS
Leitprojekt CFK Rumpf NG 11
Schadenstoleranz
Ziele:Simulation von Impact und Restfestigkeit von Sandwichstrukturen
Restfestigkeit von Sandwichstrukturen mit SchlagschädigungDeformations-
und Spannungsanalyse für eine Sandwichstruktur
Modellierung der Schlagschädigung (MCODAC und ABAQUS)Bestimmung der Restfestigkeit unter Druckbelastung (Restfestigkeitskriterium)Validierung der Simulation mit Versuchsergebnissen
Eindellung
Faser- und Matrixbrüche
Delaminationen
Deckschicht-Kern-Ablösung
Kern-schaden
Eindellung
Faser- und Matrixbrüche
Delaminationen
Deckschicht-Kern-Ablösung
Kern-schaden
Leitprojekt CFK Rumpf NG 12
Effects of Defects
ZieleNumerische Einflussanalyse von Fertigungsdefekten auf die mechanischen Eigenschaften Bestimmung der Steifigkeit, Festigkeit und des VersagensverhaltensEntwicklung eines Kriteriums zur Unterscheidung zwischen kritischen und unkritischen SchädigungenEntwicklung makroskopischer Modelle geschädigter MaterialienIntegration der lokalen Modelle in MultiskalenansätzeValidierung anhand exp. Daten
Poren Gelegefalten Wellen
Leitprojekt CFK Rumpf NG 13
3D-Biax-Testvorrichtung
Bestimmung von „Out-of-Plane“
KennwertenValidierung von FestigkeitskriterienCharakterisierung innovativer WerkstoffeBestimmung von Kennwerten (Einfluss Poren und Faserwelligkeiten)
Leitprojekt CFK Rumpf NG 14
Laufende AktivitätenAnalytische Beschreibung unter Verwendung der Eshelby-TheorieNumerische Beschreibung mit FEM (Einzelporenanalyse (Mikro-Level)Integration in MultiskalenansätzeAufbau exp. Validierungsbasis
EoD – Porositäten
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
DISPLACEMENT [MM]
FOR
CE
[N]
D1-8N-WV F2-3 F2-4 F2-6 F2-8 F2-10
Poreneinfluss auf Materialeigenschaften Einfluss Porengehalt auf Steifigkeitsreduktion
MAAXIMUS
Leitprojekt CFK Rumpf NG 15
Laufende AktivitätenGeometrische Beschreibung der Welligkeit mit periodischer FunktionAnalytische Modelle zur Berechnung homogenisierter MaterialkennwerteNumerische Einheitszellen-ModelleIntegration in MultiskalenansätzeAufbau exp. Validierungsbasis
EoD – Faserwelligkeiten
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
Stress (MPa)
A/L (mm/mm)
FE-Modell einer Einheitszelle Degradation der Materialfestigkeit
Leitprojekt CFK Rumpf NG 16
„As Built“ Bewertung und Rückführung
Laufende AktivitätenRückführung von Fertigungsinduzierten Abweichungen in die Simulation
As-Design As-BuiltData Transformation
Multiscale-Analysis
Global FE-Modelincluding
fibre orientationand effective
material properties
FE-Model(without information on specific material)
FPM- or CAD-Model(including e.g. fibre
alignment)
Effective material properties
Fibre volume fraction & material properties of
fibre and matrix
Dispersion of material properties (e.g. fibre
curvatures, EoD)
Manu-facturing
Conceptual Sizing
MAAXIMUS
Leitprojekt CFK Rumpf NG 17
Multiskalenansätze
PhänomenologieSchäden und DegradationPorenFaserwelligkeit„As built“
Rückführung
Z.B. Homogenisierte Materialeigenschaften zur Rückführung auf Panel –
LevelDefinition geeigneter Lokalisierungs-
und HomogenisierungsbedingungenAbleitung der Mikromodelle aus ZfP-
Untersuchungen
(z.B. CT)Schädigungsmodellierung auf der Mikroebene
Multiskalenansatz Schäden und Degradation
Leitprojekt CFK Rumpf NG 18
Ausblick (1)
Multifunktionaler KomponentenprüfstandVariable Plattform für Spant-, Holmprüfung, etc.Umsetzung bis Q4 2011
Leitprojekt CFK Rumpf NG 19
Ausblick (2)
Methoden und Werkzeuge Anisogrid BauweisenModellbildung (Paramerraum, etc.)Pre-Test
Analysen (2 Versuchspaneele)PaneeltestValidierung
Leitprojekt CFK Rumpf NG 20
Ausblick (3)
„As built“ AnalysenWeiterentwicklung der Methoden (AFP)NDI/NDT –
CAE Kopplung
Signal analysis 3D data defectsNDT
Macro-scalesimulation
Meso-scalesimulation
Stochasticalapproach
CAE model of manufactured structure
Fibre Placement Manager
(Ablegesoftware)
Entwurf & KonstruktionCAE & CAD
Bewertung von Materialfehlern
und Notwendigkeit
für Reparaturen
Reales Bauteil
Mechanical testing of specimens with defects
Struktur-mechanik
i.O., Reparaturoder Ausschuss
aktualisierte Konstruktuions-& Fertigungsrichtlinien
Leitprojekt CFK Rumpf NG 21
Ausblick (4)
ProzesssimulationMaterial model developmentParameter estimationProcess simulation and optimizationValidation and testing
In-house tool
for paramter
identification Prozessinduzierte Verformung (ABAQUS)
ABAQUS
User-S
ubroutine
Leitprojekt CFK Rumpf NG 22
Forschungsteam Strukturmechanik
Kontakt:
Dr. A. [email protected]
Dr. T. [email protected]