Vergleich von Methoden zur Vorhersage herstellungsinduzierter Residualspannungen und Verformungen von CFK-Bauteilen

Abstract

Der Einsatz faserverstärkter Kunststoffe ist in verschiedenen Industriebereichen bereits stark etabliert. Wachsende Anforderungen an eine wirtschaftliche Entwicklung und Produktion der Faserverbundbauteile erfordern jedoch effizientere Methoden zur Minimierung der Prozesszeiten bei optimaler Bauteilqualität mit geringen Residualspannungen und Verformungen. Als Grundlage zur optimalen Bauteil- und Prozessgestaltung werden zunehmend numerische Methoden herangezogen. Beispielsweise kann das Aushärtungs- und Schwindungsverhalten von CFK im Herstellungsprozess mithilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch simuliert und in einen Optimierungsalgorithmus eingebunden werden. Eine vollständig gekoppelte Simulation dieses transienten Aushärtungs- und Schwindungsverhaltens führt jedoch zu sehr langen Rechenzeiten. Zur Entwicklung großer und komplexer CFK-Bauteile sowie zur Optimierung der Herstellungsprozesse und deren Prozessparameter sind daher effizientere Berechnungsmethoden zu entwickeln, zu bewerten und in den aktuellen Auslegungsprozess zu integrieren. Die vorliegende Veröffentlichung nimmt einen Vergleich der wesentlichen numerischen Methoden zur Vorhersage herstellungsinduzierter Residualspannungen und Verformungen von CFK-Bauteilen vor und leitet Empfehlungen ab. Besondere Berücksichtigung finden hierbei die thermisch-chemisch-mechanisch gekoppelte Simulation sowie die vereinfachte Verwendung äquivalenter Wärmeausdehnungs¬koeffizienten und die vereinfachte Berücksichtigung charakteristischer Prozesszustände. Die Demonstration und Bewertung der verschiedenen Methoden erfolgt an einer typischen Haut-Stringer-Verbindung des Flugzeugbaus.