Entwicklung von finiten Sandwich-Elementen für eine schnelle Verschiebungs- und Spannungsanalyse im Programm CODAC

Kurzfassung

Das am Institut für Strukturmechanik entwickelte Berechnungstool CODAC dient der schnellen Simulation des Low-Velocity Impakts auf Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen. Da das Verformungs- und Spannungsverhalten einer Sandwichstruktur mit stark unterschiedlichen Steifigkeiten durch eine einschichtige Schubdeformationstheorie nicht mehr genau genug dargestellt werden kann, werden für die Erweiterung von CODAC auf Sandwichstrukturen neue Finite-Element-Formulierungen benötigt. Im ersten Schritt zur Erweiterung von CODAC wurden verschiedene Möglichkeiten der Sandwichmodellierung erörtert. Entsprechend ihrer Tauglichkeit für eine schnelle und hinreichend genaue Simulation wurde eine Auswahl an Modellen getroffen, die programmtechnisch umgesetzt, getestet und mit analytischen Lösungen verglichen werden sollen bzw. zum Teil schon wurden. Der Schwerpunkt der bisherigen Arbeiten lag auf der Entwicklung von zwei neuen dreischichtigen Schalenelementen, die für die Umsetzung in CODAC am geeignetsten erschienen. Das erste Element basiert auf einer 2D-Spannungstheorie mit einem schichtweisen Ansatz nach Schubdeformationstheorie 1. Ordnung. Beim zweiten Schalenelement wird der Verschiebungsansatz um lineare und quadratische Anteile der transversalen Verschiebung erweitert, und es entsteht somit eine 3D-Spannungstheorie. Testrechnungen zur Überprüfung von Funktionstüchtigkeit und Leistungsfähigkeit der neuen Elemente werden vorgestellt.