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)

ABAQ

US

User-

Subro

utine

Leitprojekt CFK Rumpf NG 22

Forschungsteam Strukturmechanik

Kontakt:

Dr. A. Klingalexander.kling@dlr.de0531-295-2288

Dr. T. Willetobias.wille@dlr.de0531-295-3012

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. OdermannEinleitungWissenschaftliches ErgebnisInhalteVirtuelles Testen – Stabilitätsanalyse und Stringer-Haut-Anbindung Virtuelles Testen - StabilitätsversucheSchnelle Tools – Stabilität Ausbau der BeulanlageStabilitätsanalyse unter Druck und SchubastenStabilitätsanalyse unter Druck und SchublastenSchadenstoleranz Effects of Defects3D-Biax-TestvorrichtungEoD – Porositäten EoD – Faserwelligkeiten „As Built“ Bewertung und RückführungMultiskalenansätzeAusblick (1)Ausblick (2)Ausblick (3)Ausblick (4)Forschungsteam Strukturmechanik