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Mit Moldflow und Abaqus zu den präzisen FEM-Festigkeitsberechnungen

Verstärkte Werkstoffe sind eine hervorragende Alternative zu den Leichtmetallen und Blechen, um das Gewicht der kritisch belasteten Teile zu verringern, wie z. B. Ölfiltergehäuse und Motorträger. Bei den Strukturanalysen sagen klassische Werkstoffmodelle ab, weil sie die tatsächliche Faserorientierung nicht berücksichtigen. Die Tatsache ist, dass die elastischen, plastischen und niederreißenden Eigenschaften wegen der Faserorientierung ausdrucksvoll anisotrop sind.

Slika4 napetostiBehandelte Probleme

Verwendungsabsicht:

  • Ungenauigkeit der Standard-FEM-Festigkeitsberechnungen wegen der nicht-entsprechenden Daten zum Werkstoff (Nicht-Berücksichtigung der tatsächlichen Faserorientierung)
  • Große Sicherheitsfaktoren bei der Konstruktion und Dimensionierung
  • Unkenntnis der tatsächlichen Tragfähigkeit der Produkte

Verwendete Methode:

  • Prüfung der Genauigkeit der Methode, also der FEM-Festigkeitsberechnungen unter Berücksichtigung der Faserorientierung

 

Lösung

Mit der Software Abaqus wurden mehrere Analysen nach unterschiedlichen Methoden und Werkstoffmodellen bzw. Eigenschaften durchgeführt. Für die präzise Analyse wurde noch die Software Autodesk Moldflow Insight verwendet, mit der die tatsächliche Faserorientierung im Produkt ermittelt werden konnte. Sie wurde dann in Abaqus exportiert. Der Werkstoff PA6 Durethan BKV 30 H2.0 wurde verwendet, der 30 % Glasfasern pro Masse enthält. Dabei wurde nur das Kunststoffspritzguss-Verfahren verwendet. Das Produkt wurde aus zwei unterschiedlichen Standorten gespritzt (Anguss A - längs, Anguss B - quer), wobei in das Produkt mit den gleichen Ausmaßen unterschiedliche Faserorientierung eingetragen wurde, was sich in unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften widerspiegelt.

Einige wichtige Schwerpunkte:

  • Eine analytische Berechnung, 4 FEM-Analysen mit vier unterschiedlichen Werkstoffdaten und ein Experiment wurden durchgeführt, alles für zwei unterschiedliche Angüsse)
  • Die Modelle wurden mit gleichen Parametern als bei der Spritzgusssimulation Moldflow gespritzt
  • Mit der Zerreißprobe wurde die Schlagkraft für beide Angüsse definiert
  • Der Vergleich der Ergebnisse wurde durchgeführt.

 

Absicht und Vorteile für Endkunden

  • Tatsächlicher Spann- und Deformationszustand des Produkts
  • Leichtere Produkte wegen einer besseren Werkstoffausnutzung
  • Eine zuverlässige Lösung, die mit der Kalibrierung im Experiment unter den gleichen Bedingungen als bei der Analyse geprüft wurde
  • Geringere Risiken in der Planungsphase und bei der Produktverwendung

 

Im Weiteren gibt es noch das Bildmaterial und zusätzliche Beschreibungen der einzelnen Phasen.

CAD model obravnavanega izdelka

Bild 1: Behandeltes Produkt aus dem verstärkten Polymerwerkstoff PA6 Durethan BKV 30 H2.0.

Die Grundlage für genaue Berechnungen sind die Kenntnisse zur Faserorientierung, die uns der Spritzguss gibt. An dieser Stelle ist die Verwendung der führenden Produkte, wie Autodesk Moldflow Insight und Abaqus, von großer Bedeutung für präzise Ergebnisse. Die Ergebnisse der Vorhersage für beide Angüsse befinden sich im Bild 2.

Orientacija vlaken za doliv A 

Orientacija vlaken za doliv B

Bild 2: Faserorientierung im Produkt, beim unterschiedlichen Standort des Angusses.

Bei der Berechnung waren wir an der größten Kraft interessiert, die das Produkt mitbringt. 6 Methoden zur Ermittlung der größten Kraft wurden verwendet:

  • Analytische Methode (linear):
    Die Zugfestigkeit wurde analytisch im kritischen Querschnitt mit der Voraussetzung errechnet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Faser in Querrichtung verlaufen, hinsichtlich der Belastung groß ist (kritische Stellen, die in der Praxis häufig vorkommen) (Verwendete Werkstoffdaten in der Querrichtung ohne Berücksichtigung der Faserorientierung). Das ist die einfachste und schnellste Methode, die bei den äußerst einfachen Geometrien möglich ist, die aber in der Praxis nicht häufig vorkommen. Unter Berücksichtigung der Werkstoffdaten in der Querrichtung liefert eine solche Methode äußerst konservative Ergebnisse.
  • Simulation mit dem isotropen linear elastischen Werkstoff (ABAQUS-linear): Die Zugfestigkeit des Produkts wurde numerisch ermittelt. Klassisches linear elastisches isotropes Modell wurde verwendet. Es wurde vorausgesetzt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Faser in Querrichtung verlaufen, hinsichtlich der Belastung groß ist (kritische Stellen, die in der Praxis häufig vorkommen) (Verwendete Werkstoffdaten in der Querrichtung ohne Berücksichtigung der Faserorientierung). Es handelt sich um eine numerische Methode, mit der die Zugfestigkeit des Produkts der komplexen Geometrien schnell und einfach geprüft werden kann. Unter Berücksichtigung der Werkstoffdaten in der Querrichtung liefert eine solche Methode äußerst konservative Ergebnisse.
  • Simulation mit dem isotropen nichtlinear elastischen Werkstoff (ABAQUS-nichtlinear): Es handelt sich um die gleiche Methode wie beim Punkt 2, aber mit dem Unterschied, dass nichtlineare Werkstoffdaten verwendet wurden. Methode ist verwendbar bei größeren Deformationen und bei den Werkstoffen, die sich äußerst nichtlinear benehmen (ein kleines Prozent der verstärkten Fasern). Unter Berücksichtigung der Werkstoffdaten in der Querrichtung liefert eine solche Methode äußerst konservative Ergebnisse.
  • Simulation mit dem orthotropen linear elastischen Werkstoff (ABAQUS + Orientierung - linear): Die Zugfestigkeit wurde numerisch errechnet. Bei der Simulation wurde die Faserorientierung berücksichtigt. Linear elastisches orthotropes Modell wurde verwendet. (Lineare Werkstoffdaten in allen orthogonalen Richtungen wurden verwendet). Es handelt sich um eine fortschrittliche numerische Methode, die die Orientierung berücksichtigt. Eine solche Methode berücksichtigt technologische Einflüsse auf mechanische Produkteigenschaften. Die Ergebnisse einer solchen Methode sind genauer. Die Methode liefert gute Ergebnisse bei kleinen Deformationen oder Werkstoffen, die sich nicht äußerst nichtlinear benehmen.
  • Simulation mit der Berücksichtigung der orthotropen nichtlinear elastischen Werkstoffe (ABAQUS + Moldflow - nichtlinear): Es handelt sich um eine ähnliche Methode wie beim Punkt 4, mit dem Unterschied, dass bei dieser Methode Werkstoffdaten auf ein idealisiertes Netzwerk der Endelemente kopiert werden. Orthotropes elastisches plastisches Modell wurde verwendet. (Nichtlineare Werkstoffdaten in allen orthogonalen Richtungen wurden verwendet). Die Vorhersage der Faserorientierung wurde mit der Spritzgusssimulation durchgeführt. Es handelt sich im Moment um die fortschrittlichste numerische Methode, die die Faserorientierung berücksichtigt. Eine solche Methode berücksichtigt die technologischen Einflüsse auf die mechanischen Produkteigenschaften.
  • Experimentelle Ergebnisse (Reißmaschine): Das Produkt wurde in die Reißmaschine eingehängt und erprobt. Dabei wurden die Festigkeitseigenschaften des realen Produkts in der Praxis gewonnen (Bild 5 und Bild 6).

 

Tabelle1: Ergebnisse der einzelnen Methoden. Daraus ist es ersichtlich, dass die Methode mit der Kombination der Vorhersage der Faserorientierung mit der Spritzgusssimulation Moldflow und der Einfuhr dieser Werkstoffdaten in Abaqus die weit präzisesten Ergebnisse liefert.

tabela1 rezultati

Zu einer besseren Vorstellung wurde eine graphische Übersicht vorbereitet, in der die gemessenen Werte beim Experiment rot markiert sind. Ersichtlich ist ausgezeichnete Übereinstimmung der Methode 5, also der Analyse mit der Berücksichtigung der Vorhersage der Faserorientierung, mit der Methode 6 – dem Experiment.

slika3 primerjava-rezultatov

Bild 3: Graphische Darstellung der Ergebnisse der einzelnen Methode; die roten Striche zeigen die Ergebnisse des Experiments (Methode 6) – gut ersichtlich ist die ausgezeichnete Übereinstimmung mit der Methode 5, die die tatsächliche Faserorientierung berücksichtigt.

Slika4 napetosti

Bild 4: Verteilung der Vergleichsspannung der Mutter auf der Scheibe (MPa), gefüllt von der Seite (Anguss B). Simulation mit der Berücksichtigung der nichtlinearen orthotropen Werkstoffdaten.

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Bild 5: Zugversuch

Slika6 preizkusanci

Bild 6: Teststücke

Computersimulationen der verstärkten Werkstoffe mit vereinfachten Werkstoffmodellen, bei denen die Orthotropie und Nichtlinearität vernachlässigt werden, liefern zwar konservative, aber nicht sehr präzise Ergebnisse. Die Ergebnisse solcher Simulationen sind für eine schnelle Einschätzung der Produktfestigkeit in der Anfangsphase der Produktkonstruktion geeignet. Solche Simulationen eignen sich nicht für Analysen, mit denen wir die Produkte mit einer möglichst geringen Masse und größtmöglichen Festigkeit optimieren wollen.

Unter Berücksichtigung der Orthotropie bzw. Faserorientierung werden die Ergebnisse der numerischen Simulationen wesentlich verbessert. Solche Simulationen ermöglichen auch unterschiedliche Vorhersage der mechanischen Eigenschaften der Produkte wegen des unterschiedlichen Angusssystems. Die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse nähern sich sehr gut zu den Ergebnissen des Experiments. Mit diesen Ergebnissen können die Produkte mit der möglichst geringen Masse und größtmöglichen Festigkeit optimiert werden.