Modeling structural behavior of fiber reinforced composite parts by considering draping effects

Faserverbundwerkstoffe eignen sich als ideale Leichtbauwerkstoffe. Besonders im Automobilsektor werden zunehmend Faserverbundwerkstoffe für geometrisch komplexe Bauteile verwendet. Je nach Bauteilkomplexität eignen sich unterschiedliche Halbzeuge für die Umformung zur finalen Preform. Werden trockene Halbzeuge, wie zum Beispiel UD-NCF verwendet, entstehen während der Umformung strukturmechanisch relevante Drapiereffekte. Diese äußern sich in der Variation der Faserorientierung, der lokalen Änderung des Faservolumengehaltes und in Bereichen mit Faserwelligkeiten. Werden diese Effekte bei der Auslegung von Bauteilen nicht berücksichtigt, sinkt die numerische Prognosegüte. ... mehrFür die Erfassung der Drapiereffekte in der Struktursimulation können die Informationen aus der Drapiersimulation entnommen werden. In einer vorangegangenen Arbeit wurde ein Materialmodell zur Umformung von UD-NCF Halbzeugen entwickelt. Um jedoch die Drapiereffekte in der Struktursimulation zu erfassen, bedarf es neuer Materialmodelle. Die Anforderungen an das zu entwickelnde Materialmodell leiten sich aus den experimentellen Beobachtungen ab. In einer umfangreichen Versuchskampagne wurde der Einfluss von einzelnen Drapiereffekten auf das Materialverhalten untersucht. So zeigte sich, dass neben dem im Allgemeinen bekannten Einfluss der Faserorientierung, weitere materialspezifische Eigenschaften zum Vorschein treten. Wird eine Belastung aufgeprägt, ändert sich die Faserorientierung. Obwohl die Faserorientierung maßgeblich die mechanischen Eigenschaften beeinflusst, wird deren Änderung in der Modellierung kaum berücksichtigt. Darüber hinaus zeigte sich, dass die initial transversale Materialachse ebenso einer Deformation unterliegt. Wird nur die Änderung der Faserorientierung berücksichtigt, kann ein falscher Versagensmechanismus prognostiziert werden. Um die Änderung der Materialachsen zu berücksichtigen, wird ein geeignetes Dehnungsmaß vorgestellt. Der Vergleich zwischen experimentellen und numerischen Ergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der Deformation der einzelnen Materialachsen. Zur Berücksichtigung des Faservolumengehaltes wurden experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung der elastischen Materialparameter, sowie der unterschiedlichen Materialfestigkeiten und Materialnichtlinearitäten durchgeführt. Die Modellierung der elastischen Eigenschaften und der Festigkeiten erfolgt mithilfe von analytischen Ansätzen. Auf Basis der Versuche konnte ein faservolumengehaltsabhängiges Versagenskriterium für Faserbruch und Zwischenfaserbruch eingeführt werden. Es zeigt sich, dass für den Zwischenfaserbruch die Materialfestigkeiten unterschiedlich vom Faservolumengehalt beeinflusst werden. Die numerische Vorhersage bei Berücksichtigung des Faservolumengehaltes zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Als weiterer Drapiereffekt wird die Faserwelligkeit berücksichtigt. Hier zeigt sich der signifikanteste Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Um den Einfluss des Faservolumengehaltes und der Faserwelligkeit im Detail zu untersuchen wurden Modellierungen auf der mikroskopischen Skala durchgeführt. Hierbei zeigt sich deutlich der Einfluss der Matrix auf die Materialeigenschaften des Verbundes und dessen Versagensverhalten. In einer weiteren numerischen Studie wurde der Einfluss von Drapiereffekten an einem Bauteil untersucht. Insbesondere tritt der Einfluss des Laminataufbaus bei der Berücksichtigung von Drapiereffekten zum Vorschein.

Fiber reinforced composites are ideal lightweight materials. Particularly in the automotive sector, fiber reinforced composites are increasingly used for geometrical complex components. Depending on the complexity of the component, different semi-finished products are suitable for forming into the final preform. If dry semi-finished products with continuous fibers are used, such as unidirectional noncrimp fabrics (UD-NCF), draping effects occur during forming. These effects are relevant to structure mechanical properties and are manifested in the variation of the fiber orientation, the local change of the fiber volume content and in areas with fiber waviness. ... mehrIf these effects are not taken into account in the design of components, the quality of the numerical prediction decreases.
To account for draping effects in structural simulation, the relevant information can be taken from draping simulation. In a previous work, a material model for forming UD-NCF semi-finished products was developed. However, new material models are needed to capture the draping effects in the structural simulation of consolidated components. The requirements for the development of a material model are derived from the experimental observations. In an extensive experimental campaign, the impact of individual draping effects on the material behavior is investigated. It is found that, in addition to the generally known influence of fiber orientation, other material-specific properties come to light. If large shear strains are applied, the fiber orientation changes. Although the fiber orientation significantly influences the mechanical properties, its change under shear has hardly been considered so far. Furthermore, it is shown that the initial transverse material axis is also subjected to deformation. By considering only the change in fiber direction, while the transverse material axis remains orthogonal, an incorrect failure mechanism can be predicted. In this work, a suitable strain measure is presented, with which the change of the material axes can be accounted. The comparison between experimental and numerical results shows a very good agreement with respect to the deformation of each material axis. To consider the fiber volume content, experimental investigations are carried out to determine the elastic material parameters, as well as the different material strengths and material nonlinearities for varying fiber volume contents. The elastic properties and the strengths are modeled using analytical approaches. On the basis of tests, a fiber volume content-dependent failure criterion for fiber failure and inter-fiber failure is derived. It is shown that for inter-fiber failure, the material strengths are influenced differently by the fiber volume content. The numerical prediction, which considers fiber volume content, shows a very good agreement with experimental results. Fiber waviness is considered as another draping effect. Here, the most significant impact on the mechanical properties is observed. In order to investigate the influence of fiber volume content and fiber waviness in detail, microscopic scale modeling is performed. This method shows clearly the influence of the matrix on the effective material properties of the composite and on the failure behavior. In another numerical study, the influence of draping effects on component level is investigated. In particular, the influence of the laminate lay-up becomes apparent when draping effects are taken into account.