MeFeX GmbH

Konstruktion und Berechnung von
Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen

μTube

Standardtools wie die CLT sollten nur zur groben Vorauslegung von dickwandigen, rotationssymmetrischen Bauteilen genutzt werden. Speziell in Fällen großer Spannungskomponenten in Dickenrichtung des Laminats (z.B. Innendruck bei Rohren oder Behältern) kommen diese sehr einfachen Berechnungsprogramme schnell an ihre Grenzen. Hier müssen dann aufwendige FE-Modelle erstellt, berechnet und ausgewertet werden. Zur schnellen Bewertung des Zylinderlaminats eines Behälters ist das häufig zu aufwendig. Deshalb wurden analytische und numerische Berechnungsverfahren implementiert, mit deren Hilfe eine Bewertung von rotationssymmetrischen FKV-Rohren (nach exakter dickwandiger Theorie) in Bruchteilen einer Sekunde möglich ist. So kann z.B. begleitend zur Wickelsimulation, die eine Bewertung des Laminats aus Fertigungssicht ermöglicht, auch eine mechanische Bewertung des Zylinderlaminats durchgeführt werden. Natürlich kann μTube auch zur Berechnung weiterer Bauteile genutzt werden. Antriebswellen, Druckwalzen und andere dickwandige FKV-Bauteile sind nur ein kleiner Auszug der möglichen Anwendungen. Auch Krafteinleitungen, z.B. Längspressverbände, können mittels GUI oder zusammen mit den enthaltenen Python-Schnittstellen sehr einfach ausgelegt werden:

MyCrO-Tube Mainwindow MyCrO-Tube Loads MyCrO-Tube Resulttable

Wie bereits bei μPlate können Laminatdesigns aus dem μDesigner importiert werden. Es besteht zudem die Möglichkeit, mehrere Rohre oder Behälter parallel zu berechnen, um verschiedene Designs besser vergleichen zu können. Folgende Optionen können über die Werkzeugleiste (1) ausgewählt werden:

Die verschiedenen Berechnungen können über ein Tree-View (3) ausgewählt werden. Zusätzlich werden globale Berechnungsergebnisse direkt angezeigt und können z.B. für Toleranzbetrachtungen genutzt werden. Die jeweils aktive Berechnung wird in der Tabelle (4) dargestellt. Die Lasten für die einzelnen Berechnungen werden über eine Eingabemaske (2) eingegeben. Im Behälter-Modus wird die axiale Kraft automatisch anhand des Zylinderradius und des Innendrucks berechnet. Es können aber auch alle Lasten einzeln eingetragen werden. Nach erfolgter Berechnung wir der Reservefaktor des Laminats angezeigt. Zusätzlich kann die Last automatisiert so erhöht werden, dass die Zwischenfaserbruchgrenze erstmals erreicht oder der erste Faserbruch auftritt. Damit kann bei FKV-Behältern sehr einfach eine Berstdruckabschätzung im Zylinder durchgeführt werden. Zusätzlich arbeiten wir an weiteren Modulen (5), z.B. zur analytischen Abschätzung des Beulmoments oder der biegekritischen Drehzahlen.

In der Ergebnisdarstellung können Dehnungen, Spannungen und Anstrengungen nach Puck angezeigt werden. Die berechneten Ergebnisse sind exakt. Sie stimmen somit bis auf numerische Fehler aus der FEM mit sehr fein vernetzten FE-Modellen in Abaqus überein. Im Unterschied zur FEA sind die Berechnungszeiten aber erheblich geringer. Somit kann μTube speziell in Verbindung mit dem enthaltenen Python-Interface sehr gut zur Optimierung von FKV-Rohren genutzt werden. In wenigen Sekunden können mehrere 10.000 Modelle berechnet und ausgewertet werden. Dies ermöglicht z.B. den Einsatz von Evolutionsoptimierern, die in der Regel eine sehr große Anzahl von Rechnungen benötigen.

Die Ergebnisse können über der Dicke grafisch dargestellt werden. Zudem besteht die Möglichkeit, Ergebnisse in Form von CSV-Dateien zu exportieren. Wir arbeiten derzeit an weiteren Visualisierungen und Export-Möglichkeiten. Z.B. können über die Abaqus-Schnittstelle Modelle erstellt und in Abaqus berechnet werden. Damit sind sehr einfach weiterführende nichtlineare Berechnungen mit eigenem User-Material (UMAT) durchzuführen. Derzeit können mit μTube nur lineare Rechnungen durchgeführt werden. Wie bereits bei der CLT planen wir auch Berechnungen mit Degradation zu implementieren. Derzeit ist dies nur über die Abaqus-Schnittstelle möglich.