Macroscopic forming simulation of unidirectional non-crimp fabrics: Hyperelastic material modeling and 3D-solid-shell approach

Die Umformung zweidimensionaler textiler Halbzeuge in eine komplexe Geometrie ist der erste Schritt verschiedener "Liquid Composite Modling"-Prozesse zur Herstellung von Hochleistungsbauteilen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen. Die Umformung hat signifikanten Einfluss auf die nachfolgenden Prozessschritte und die Eigenschaften des fertigen Bauteils. Die Prozessauslegung kann durch geeignete Simulationsmethoden unterstützt werden, um eine defektfreie Herstellbarkeit zu gewährleisten und das Potenzial des Werkstoffs voll auszuschöpfen. Dabei haben unidirektionale Kohlenstofffasergelege (UD-Gelege) das höchste Leichtbaupotenzial aufgrund ihrer geraden Rovings im Vergleich zu Geweben mit ondulierten Fasern. ... mehrZiel dieser Arbeit ist die experimentelle Analyse der relevanten Umformmechanismen von UD-Gelegen und anschließende Entwicklung effizienter makroskopischer Modellierungsansätze.

Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 4) werden die inter- und intra-ply Deformationsmechanismen systematisch charakterisiert und das Verhalten in Umformstudien an verschiedenen Geometrien gemessen. Alle Versuche werden für ein unidirektionales und ein bidirektionales Gelege durchgeführt, um beide Materialien zu vergleichen und die besonderen Anforderungen von UD-Gelegen herauszuarbeiten. Das Verhalten von UD-Gelegen ist stark anisotrop und asymmetrisch, da das Verhalten in die Querrichtung nur durch die Vernähung bestimmt wird. Eine isolierte Betrachtung des Schubanteils im Membranverhalten ist daher unzureichend. Sowohl bei der Charakterisierung als auch bei der Umformung treten Deformationsmoden mit überlagerten Schub-, Querzug- und Druckdeformationen auf. Außerdem ist die Biegesteifigkeit in Querrichtung deutlich geringer als in Rovingrichtung, wodurch es zu starken Verdrillungen kommen kann.

Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 5) wird ein makroskopisches Umformsimulationsmodell für UD-Gelege mit 2D-Elementen vorgestellt. Das Membranverhalten wird hyperelastisch und das Biegeverhalten hypoelastisch modelliert. Die Membran-Deformationsmoden werden mit geeigneten Invarianten verknüpft. Starkes Rovingabgleiten wird durch eine Kopplung des Querzug- und Druckverhaltens abgebildet. Ein verallgemeinerter Ansatz wird für die Dehnungsenergiedichte und Kopplung verwendet, welcher weniger Parameter benötigt als existierende Modelle. Ziel ist dabei, die Komplexität des Modells zu minimieren und die Anwendung für andere Materialien zu erleichtern. Die Kräfte und Dehnungen der Charakterisierungsversuche werden gut abgebildet. Im Vergleich mit experimentellen Umformversuchen für verschiedene Geometrien und Lagenaufbauten zeigt sich eine gute Übereinstimmung.

Im dritten Teil dieser Arbeit (Kapitel 6) wird ein 3D-Ansatz zur Berücksichtigung der Kompaktierung während der Umformung vorgestellt. Dadurch kann die Bauteildicke und somit auch der Faservolumengehalt vorhergesagt werden. Konventionelle Volumenelemente sind für Umformsimulationen nicht geeignet, da bei dünnen Strukturen unter Biegung numerische Versteifungseffekte auftreten. Deshalb wird ein sogenanntes Solid-Shell-Element um Modifikationen für stark anisotrope Materialien und eine Membran-Biege-Entkopplung erweitert und als 3D User-Element in ABAQUS/Explicit implementiert. Das Solid-Shell kann das Umformverhalten mit einem einzigen Element über die Dicke für große Aspektverhältnisse immer noch genau abbilden. Dadurch können verschiedene Umformstudien genauso gut modelliert werden wie mit auf 2D-Elementen basierenden Ansätzen, aber das Verhalten in Dickenrichtung kann zusätzlich berücksichtigt werden.

Insgesamt verbessert diese Arbeit das Verständnis der relevanten Mechanismen für die Umformung von Gelegen und deren effiziente Modellierung. Die entwickelten Methoden werden umfangreich validiert und ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Szenarien demonstriert. Abschließend werden Möglichkeiten für die weitere Methodenentwicklung motiviert, z.B. die Modellierung mesoskopischer Effekte mit nicht-lokalen Ansätzen oder die Anwendung des Solid-Shell-Elements auf andere Halbzeuge.

Forming of an initially flat stack of engineering textiles into a complex three-dimensional shape is the initial step in different liquid composite molding processes to manufacture high-performance components from continuous fiber reinforced plastics (CoFRP). The forming has a decisive influence on subsequent process steps and the structural behavior of the final component. Process design can be supported by suitable simulation methods to ensure defect-free manufacturing and fully realize a material’s potential. Thereby, unidirectional non-crimp fabrics (UD-NCF) have the highest lightweight potential due to their straight rovings compared to woven fabrics with undulated fibers. ... mehrThe objective of this work is the experimental analysis of the relevant mechanisms for forming UD-NCF and consequent development of efficient macroscopic modeling approaches.

In the first part of this work (Chapter 4), the inter- and intra-ply deformation mechanisms of UD-NCF are systematically characterized and forming studies of different geometrically challenging shapes quantitatively analyzed. All tests are conducted for a unidirectional and a bidirectional NCF to compare both materials and highlight the specific challenges for UD-NCF. The UD-NCF exhibits a strongly anisotropic and asymmetric behavior, since the transverse behavior is determined by the stitching instead of a second fiber orientation. Thus, a solely shear-focused description of the membrane behavior is insufficient. Different membrane deformation modes with superimposed shear, transverse tensile and perpendicular compressive strains are observed during characterization as well as forming. The transverse bending stiffness is significantly lower than bending in the roving direction, resulting in strong twisting for off-axis loads.

In the second part of this work (Chapter 5), a macroscopic forming model for UD-NCF with 2D-elements based on a hyperelastic membrane and a hypoelastic bending approach is proposed. The different membrane deformation modes are related to suitable invariants. A coupling between the transverse tensile and perpendicular in-plane compressive behavior is introduced to model significant roving slippage. A new generalized approach for the strain energy density and coupling between the deformation modes is proposed that requires significantly less parameters than existing approaches. The objective is to minimize the complexity of the model and thus facilitate its adaptation to other materials. The forces and strains occurring in the characterization tests are well reproduced. In comparison with experimental forming tests for different shapes and layup configurations, a good agreement is observed.

In the third part of this work (Chapter 6), a 3D approach to account for compaction during forming is presented, which enables a prediction of the final thickness and consequently of the fiber volume content. Conventional solid elements are not suitable for forming simulations due to numerical locking phenomena for thin structures under bending. A locking-free 3D solid-shell formulation is extended for highly anisotropic materials and membrane-bending decoupling. It is finally implemented as a user-defined element in ABAQUS/Explicit. The proposed solid-shell approach accurately models the forming behavior with a single element over the thickness for large element aspect ratios. As a result, the developed 3D solid-shell element is capable of modeling different forming studies as accurately as 2D-element based approaches, but the behavior in thickness direction can be additionally taken into account.

Overall, this work improves the understanding of the relevant mechanisms for forming non-crimp fabrics and their efficient modeling. The developed methods are extensively validated to demonstrate their applicability in various scenarios. The work concludes with recommendations for further method development, e.g. modeling of mesoscopic effects with non-local approaches or application of the solid-shell element to other semi-finished products.