English:
The aim of this work was the creation of an interface which is able to transfer the results of the injection molding analysis of fibre reeinforced polymers done by Moldflow into the structural analysis program ABAQUS. The properties which depend on the degree of fibre orientation like Young's Modulus, Shear Modulus and Poisson's Ratio were not calculated by the method of "orientation averaging" but with the help of functions which were fitted to experimental data. The calculation and the transfer of all needed data like specific values, geometry, material direction and so on is done by an interface. The interface is suitable for midplane elements in Moldflow and transfers all data which are necessary for the usage of shell elements in ABAQUS.
In addition a method is described how nonlinear orthotropic behavior can be modeled starting from the generalized Hooke's Law. It is shown how such behavior can be implemented in ABAQUS by means of a material subroutine. The results of this subroutine are compared to an orthotropic linear simulation.
Deutsch:
Das Hauptziel der Arbeit war die Nutzbarmachung der Ergebnisse der Spritzgießsimulation aus Moldflow für die Strukturanalyse durch das FEM Programm ABAQUS. Die orientierungsgradabhängigen Eigenschaften wie der E-Modul, der Schubmodul und die Querkontraktionszahlen werden in dieser Arbeit nicht mithilfe des „Orientation Averaging“, sondern mithilfe von Funktionen berechnet, die vorher an experimentelle Ergebnisse angepasst wurden. Die Berechnung und die Übertragung der Kennwerte, der Geometrie, der Materialrichtungen etc. erfolgt weitestgehend automatisch durch eine Schnittstelle. Die Schnittstelle ist vorerst nur zur Übertragung aller benötigten Daten von Mittelflächenelementen aus Moldflow auf Schalenelemente in ABAQUS geeignet.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem eine Methode entwickelt, wie sich, ausgehend vom verallgemeinerten Hookeschen Gesetz, nichtlineares, orthotropes Werkstoffverhalten für kurzfaserverstärkte Kunststoffe modellieren lässt. Es wird der Weg aufgezeigt, wie sich solches Verhalten mithilfe einer Materialsubroutine in das kommerzielle Programm ABAQUS implementieren lässt. Das nichtlineare Verhalten wird über ein zusätzliches Modell, welches die Nichtlinearität des jeweiligen Werkstoffes berücksichtigt, dargestellt. Es erfolgt der Vergleich der linear elastischen mit der nichtlinear elastischen Simulation für den technischen Kunststoff PBT-GF30.
Inhalt
1. Einleitung / Motivation
1.1 Einleitung / Motivation
1.2 Ziel dieser Arbeit
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Beschreibung des Orientierungszustandes
2.2 Eigenschaften in Abhängigkeit des Orientierungszustandes
2.3 Beschreibung des Materialerhaltens
2.3.1 Herleitung des Materialmodells
2.3.2 Bezug zu den Ingenieurkonstanten
2.3.3 Nichtlineares Werkstoffverhalten und Umsetzung in ABAQUS
3. Erläuterungen zur Schnittstelle
3.1 Beschreibung des Hauptprogramms „Interface“
3.2 Geometrieerzeugung
3.3 Transversale Schubsteifigkeit
3.4 Beschreibung des Programms „Librarymaker“
3.5 Hinweise zu Benutzung
4. Ermittlung der experimentellen Daten
4.1 Bestimmung der benötigten Kennwerte für das Modell
4.2 Plausibilität der Kennwerte
5. Beispielrechnungen / Benchmarks
5.1 Beliebig gedrehter Würfel
5.2 Schulterstab
5.2.1 Vergleich der manuellen mit der computergestützten Rechnung
5.2.2 Verifizierung des programmierten Materialmodells
5.2.3 Vergleich linear elastischer mit nichtlinear elastischer Simulation
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung einer automatisierten Schnittstelle zur Übertragung von Ergebnissen der Spritzgießsimulation aus dem Programm Moldflow in das FEM-Programm ABAQUS, um eine effiziente Strukturanalyse von kurzfaserverstärkten Kunststoffen zu ermöglichen. Dabei liegt der Fokus insbesondere auf der Implementierung eines nichtlinearen, anisotropen Materialverhaltens mittels einer Materialsubroutine (UMAT), ohne auf klassische Mittelungsverfahren angewiesen zu sein.
- Entwicklung einer performanten Schnittstelle zwischen Moldflow und ABAQUS
- Automatisierte Übertragung von Geometriedaten und Materialeigenschaften
- Modellierung von nichtlinearem Werkstoffverhalten mittels logistischer Schwächungsfaktoren
- Validierung der Materialmodelle durch Benchmark-Beispiele
- Berücksichtigung der orientierungsabhängigen mechanischen Kennwerte
Auszug aus dem Buch
2.3.3 Nichtlineares Werkstoffverhalten und Umsetzung in ABAQUS
Die Matrix Q(i,j) (Formel 2.28) muss in der Materialsubroutine UMAT vorgegeben werden. Mit ihrer Hilfe wird zu einer vorgegebenen Dehnung die zugehörige Spannungsantwort ermittelt. Diese Subroutine wird in jedem Berechnungsschritt (Inkrement) aufgerufen. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, die Elastizitätsmatrix in jedem Inkrement zu verändern. Die Modifikation der Elastizitätsmatrix erfolgt durch Multiplikation eines dehnungsabhängigen Faktors, der die Hookesche Gerade krümmt. Somit lässt sich im praktischen Anwendungsfall multilineares Verhalten und im akademischen Fall, mit infinitesimalen Inkrementen, echtes nichtlineares Verhalten modellieren. Bild 2.5 illustriert, wie die für die Bestimmung des Faktors benötigten Parameter das Spannungs-Dehnungs-Diagramm modifizieren. Je nach Auswahl der Parameter lässt sich lineares bis nichtlineares Verhalten in bestimmten Bereichen modellieren.
Da die Nichtlinearität des Normalspannungsverlaufes von der der Schubspannungen abweichen kann und aufgrund der Entkopplung von Normal- und Schubspannungszuständen in der Elastizitätsmatrix, erscheint es sinnvoll, die Parameter der Schwächungsfaktoren für Normalspannungen und für Schubspannungen, separat zu bestimmen. Deshalb sind zwei Schwächungsfaktoren mit den Gleichungen 2.29 und 2.30 eingeführt worden. Die Schwächungsfaktoren werden durch eine modifizierte Variante der logistischen Funktion beschrieben. Die logistische Funktion ist ursprünglich eine Funktion, die aus der Elektrotechnik und Informatik verwendet wird. Sie ist differenzierbar und beschreibt den Umschaltprozess zwischen zwei Zuständen in Form einer S-Kurve. Die Idee, diese Funktion zu verwenden, ist darin begründet, dass auch hier eine Funktion gesucht ist, die Werte zwischen zwei Grenzen liefert. Der Wert, den die Funktion liefert, ist der Faktor, mit dem die Elastizitätsmatrix multipliziert wird. Die Faktoren sind in ihrem Wertebereich beschränkt. Der größtmögliche Wert von f = 1 wird für ε = 0 erreicht. Der kleinstmögliche Wert wird in UMAT mithilfe einer einfachen IF-THEN Anweisung auf f = 0,5 festgelegt. Ab diesem Wert tritt im Spannungs-Dehnungs-Diagramm ein negativer Anstieg auf, dass heißt das Material zeigt Entfestigung. Diese Beschränkung wurde eingeführt, um zu verhindern, dass ab einer bestimmten Dehnung eine negative Steifigkeit existiert.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung / Motivation: Einführung in die Problematik und die Zielsetzung der Arbeit zur Verbesserung der Strukturanalyse von kurzfaserverstärkten Kunststoffen.
2. Theoretische Grundlagen: Erläuterung der physikalischen Grundlagen, des Materialmodells sowie des Umgangs mit dem Orientierungszustand und nichtlinearem Materialverhalten.
3. Erläuterungen zur Schnittstelle: Detaillierte Beschreibung der entwickelten Interface-Software zur Datenübertragung und Geometrieerzeugung zwischen den Simulationsprogrammen.
4. Ermittlung der experimentellen Daten: Darstellung der experimentellen Bestimmung notwendiger Kennwerte und Überprüfung der Plausibilität mittels mathematischer Bedingungen.
5. Beispielrechnungen / Benchmarks: Verifizierung der Implementierung anhand von praktischen Beispielen wie einem gedrehten Würfel und einem Schulterstab.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Abschließendes Fazit der Ergebnisse und Darlegung potenzieller Erweiterungen für zukünftige Arbeiten.
7. Anhang: Auflistung der verwendeten Symbole und Quellenverzeichnis der Arbeit.
Schlüsselwörter
Spritzgießsimulation, Strukturanalyse, Kurzfaserverstärkte Kunststoffe, ABAQUS, Moldflow, Materialsubroutine, UMAT, Orientierungstensor, Nichtlineares Werkstoffverhalten, Transversale Schubsteifigkeit, Interface, Ingenieurkonstanten, Benchmark, Finite-Elemente-Methode, Schwächungsfaktor.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Verknüpfung der Spritzgießsimulation mit der strukturellen FEM-Analyse zur genaueren Modellierung des Werkstoffverhaltens von kurzfaserverstärkten Kunststoffen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die Materialmodellierung (insbesondere nichtlineares Verhalten), die Automatisierung von Schnittstellen zwischen Softwarelösungen und die experimentelle Validierung von Simulationsdaten.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Entwicklung einer Schnittstelle, die Daten aus Moldflow automatisch aufbereitet, um eine nichtlineare Simulation in ABAQUS ohne aufwendige manuelle Mittelung der Fasereigenschaften durchzuführen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mikromechanische Modelle, das verallgemeinerte Hookesche Gesetz sowie die Implementierung einer Materialsubroutine (UMAT) auf Basis logistischer Funktionen verwendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil deckt die theoretischen Grundlagen des Materialverhaltens, die technische Realisierung des Python-Interfaces, die experimentelle Kennwertermittlung sowie die Validierung durch Benchmarks ab.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Spritzgießsimulation, Kurzfaserverstärkung, UMAT, nichtlineares Verhalten, ABAQUS, Orientierungstensor und Finite-Elemente-Methode.
Warum wurde eine eigene Schnittstelle entwickelt?
Die verfügbaren kommerziellen Lösungen waren in der Handhabung zu zeitaufwendig und ließen den Zugriff auf notwendige spezifische Modellparameter nicht zu.
Wie wird das nichtlineare Materialverhalten abgebildet?
Durch die Multiplikation der Elastizitätsmatrix mit einem dehnungsabhängigen Faktor, der über eine logistische Funktion ("S-Kurve") definiert ist, wird eine Krümmung der Spannungs-Dehnungs-Kurve simuliert.
- Quote paper
- Carsten Kröner (Author), 2007, Kopplung der Spritzgießsimulation mit der Strukturanalyse für kurzfaserverstärkte Kunststoffe, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/81467
