SandMesh³

Kurzbeschreibung

SandMesh³ wird als einfach zu bedienender FE-Modellgenerator für Sandwich-Strukturen an der Professur für Luftfahrzeugtechnik der Technischen Universität Dresden entwickelt.

Für die zuverlässige Simulation des mechanischen Verhaltens eines Sandwichs unter Impact-Last sowie einer numerischen Analyse des Versagens von geschädigten und ungeschädigten Proben müssen sehr detaillierte FE-Modelle bereitgestellt werden. Dies gilt vor allem für die äußerst komplexe Topologie von Open-Core-Materialien wie Honig- oder Faltwaben. Außerdem sind die jeweiligen Randbedingungen der zu simulierenden Testkonfiguration zu beachten. Die Generierung derart detaillierter FE-Modelle von Sandwich-Strukturen ist äußerst zeitaufwändig. Zur effizienten Lösung der Aufgabe dient SandMesh³.

Deckschichten

SandMesh³ stellt verschiedene Modelle für die Sandwich-Deckschichten bereit, um die Charakteristika in der jeweiligen Simulation abzubilden.

Stochastisch verteilte Materialdaten

Praktisch kein industriell gefertigtes Bauteil besteht aus einem vollständig homogenen Material. Mikrorisse, Lunker und andere Defekte verursachen lokal unterschiedliche Steifigkeiten und Festigkeiten. Durch eine stochastische Unterteilung der Deckschicht in Teile mit variierenden Materialdaten kann dies im FE-Modell berücksichtigt werden.

Delamination

Um Delaminationen simulieren zu können, müssen in das FE-Modell entsprechende Versagenskriterien integriert werden. Dazu können beispielsweise alle Lagen eines Laminats über separate Shell-Layer dargestellt werden. Die Verbindung untereinander wird dann entweder über Kontaktbedingungen oder durch ebenfalls zu diskretisierende kohäsive Elemente realisiert.

Impact-Schäden

Zur numerischen Bestimmung der Restfestigkeit von geschädigten Strukturen sind die relevanten Schäden in das FE-Modell zu integrieren. Impact-Schäden in der Deckschicht können in Form einer beliebig ausgerichteten, elliptischen Vertiefung und zusätzlich durch die Zuweisung von abgeminderten Materialkennwerten in der Schadensumgebung berücksichtigt werden.

Ultraschall-Scan als Modellvorlage

Zur realitätsnahen Modellierung von Impact-Schäden können Ergebnisse von Ultraschalluntersuchungen verwendet werden. Dazu werden die Ultraschallbilder automatisch ausgewertet, wobei Form und Größe der Schäden erfasst und in das FE-Modell durch äquivalente Partzuweisungen oder geeignete Kontaktformulierungen integriert werden.

Kernstrukturen

Gegenwärtig können drei verschiedene Typen der gebräuchlichsten Sandwich-Kernstrukturen erzeugt werden:

• Faltwabenkerne,
• Honigwabenkerne,
• Schaumkerne.

Durch den modularen Aufbau von SandMesh³ lassen sich bei Bedarf jederzeit neue Strukturtypen integrieren. Wie bei den Deckschichten gibt es auch bei den Kernstrukturen eine Vielzahl an Besonderheiten, die in den FE-Modellen berücksichtigt werden können.

Faltwaben

Faltwaben werden durch eine spezielle Falttechnik, der nichttriviale geometrische Überlegungen zugrunde liegen, aus harzgetränktem Papier hergestellt. SandMesh³ errechnet für beliebige Faltkernkonfigurationen (Winkel, Abstände, Krümmung) die notwendige Geometrie, sodass das FE-Modell einer real hergestellten Faltwabe entspricht.

Honigwaben

Honigwaben können aufgrund ihres Fertigungsprozesses eine Reihe von Anomalien enthalten, welche das mechanische Verhalten der Kerne teilweise signifikant beeinflussen. SandMesh³ kann bei der Generierung des FE-Modells Unregelmäßigkeiten wie Über- und Unterexpansion, Krümmungen im Wandquerschnitt und Harzansammlungen in den Ecken berücksichtigen.

Weitere Optionen

SandMesh³ bietet für die Erstellung von FE-Modellen von Sandwich-Strukturen eine Reihe weiterer Möglichkeiten:

• Imperfektionen der Deckschichten und Wabenwänden, die in Form von Zufallsverschiebungen der Knoten oder mehrfachen Sinushalbwellen modelliert werden können.
• Krümmung des gesamten Modells.
• Erstellung von geschichteten Sandwich-Modellen mit multiplen Kernstrukturen.

Anwendungsbeispiele

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