Abschlussworkshop CFK-Rumpf NG Simulation des - dlr.de · Leitprojekt CFK Rumpf NG 3...

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  • 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. [email protected]

    Dr. T. [email protected]

    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