MeFeX GmbH

Konstruktion und Berechnung von
Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen

μWind

μWind ist die erste Software, die es dem Anwender ermöglicht, eine Fertigungssimulation in Echtzeit durchzuführen und die Ergebnisse direkt zu nutzen, um deutlich realistischere Rückschlüsse auf die Behältereigenschaften zu ziehen. Kern der Software sind optimierte Algorithmen zur schichtweisen Berechnung der realen Bandablage. Damit kann die Steifigkeit im Zylinder und vor allem im Dom deutlich besser abgebildet werden. Dadurch wird eine realistische Bewertung des Behälters erst möglich. Der gesamte Entwicklungs- und Bewertungsprozess kann zudem in wenigen Minuten durchgeführt werden. Vorteile unserer Software sind:

MyCrO-Wind Liner Creation MyCrO-Wind Mainwindow MyCrO-Wind Modify Vessel MyCrO-Wind Elementinfo

Linererstellung

Mit μWind steht dem Nutzer ein Werkzeug zur Verfügung, gewickelte FKV-Behälter deutlich detaillierter und schneller zu berechnen. Die Oberfläche wird kontinuierlich in aktuellen Projekten weiterentwickelt und anhand von Erfahrungen bei der Auslegung zahlreicher Behälter sowie von Anregungen der Kunden ergänzt. Grundlage jeder Simulation ist eine Lineroberfläche, die im Folgenden bewickelt werden kann. Die Linergeometrie kann über ASCII-Files importiert oder neu erstellt werden. Um einen neuen Liner zu erstellen, wird im ersten Schritt die Domkontur gewählt. Typische Domkonturen sind bereits implementiert. Zusätzlich können beliebige Konturen importiert werden. Sind die beiden Domkonturen berechnet, werden wichtige Kenndaten wie Linerlänge, Zylinderlänge, Polöffnungen und Linervolumen berechnet und visualisiert. Die so berechnete Außenkontur des Liners wird im Folgenden in der Wickelsimulation als Startoberfläche genutzt.

Wickelsimulation

Ist dem Behälter ein Liner zugewiesen, kann über den μDesigner ein Laminatdesign gewählt werden. Das gewählte Design und der Liner werden in einem Tree-View aufgelistet. Der Behälter kann nun schichtweise bewickelt werden. Hierbei wird eine Wickelsimulation durchgeführt, die alle abgelegten Bänder der einzelnen Schichten berücksichtigt. Aus den Simulationsergebnissen werden die Orientierungen der Bänder und die Fasermasse an jedem Punkt innerhalb der Schichten bestimmt. Damit kann sowohl im Zylinder als auch im Dom die Faserverteilung der jeweiligen Schicht exakt berechnet werden. Aus diesem Ergebnis wird im Anschluss die Dicke der Schicht abgeleitet. Hier geht der Faservolumenanteil stark ein. Lokale Kompressionseffekte durch die Ablage der einzelnen Bänder auf das weiche Wickellaminat werden über empirische Funktionen angenähert.

Der Laminataufbau kann direkt im Wickelmodus geändert werden. Hierzu kann in den Modify-Modus gewechselt werden. Wird der Wickelwinkel geändert, erfolgt eine Neuberechnung der Schicht in Echtzeit. Durch Optimierung der Berechnungsalgorithmen sind wir in der Lage, diese Modifizierungen interaktiv durchzuführen. So ist es dem Konstrukteur sehr einfach möglich, die Polöffnungen der einzelnen Schichten optimal zu verteilen und ein direktes Feedback von der Fertigung zu bekommen. Zusätzlich kann vom geodätischen Pfad abgewichen werden, um bei gleichem Wickelwinkel im Zylinder eine Verlagerung der Polöffnung zu erreichen. Wird der Wickelwinkel nahe 90° gelegt, wechselt die Software in den Hoop-Layer-Modus. Damit können Umfangslagen abgelegt werden. Häufig sollen die Auslaufpositionen der Umfangslagen verteilt werden. Deshalb kann die Polöffnung der Umfangslagen sehr einfach verschoben werden. Die Auslaufposition jeder Schicht kann in mehreren Koordinatensystemen dargestellt werden. Meist werden Auslaufpositionen auf den Zylinder-Dom-Übergang des Liners bezogen angegeben.

Im mittleren Bereich wird das Ergebnis der Fertigungssimulation visualisiert. Wird in das Wickelergebnis hineingezoomt, wechselt die Software in den Detailmodus. Hier können die berechneten Ergebnisse aus der Wickelsimulation an jedem Punkt sehr einfach und detailliert entnommen werden. Für jede Sektion innerhalb der Schicht werden unter anderem folgende Ergebnisse berechnet:

Berechnung

Diese Ablegedaten aus der Wickelsimulation können dann im Anschluss zur detaillierten Berechnung des Behälters genutzt werden. Wir arbeiten derzeit daran, numerische und analytische Berechnungsverfahren direkt in die Software zu integrieren. Damit wird es möglich sein, die Kompression des Laminats durch nachfolgende Schichten deutlich besser zu berechnen.

MyCrO-Wind FEM Berechnung MyCrO-Wind FEM Skripte

Zum anderen kann auf das Behälterlaminat Innendruck aufgebracht werden. Die resultierenden Verformungen und Spannungen können dann direkt in der Auslegung genutzt werden, um das Laminat nicht nur fertigungsgerecht auszulegen sondern auch mechanisch zu optimieren. Derzeit sind diese Funktionen noch in der Testphase und werden von uns anhand von Detailsimulationen in Abaqus validiert. Neben den Verformungen können auch Laminatkennwerte, wie z.B. Membran- oder Biegesteifigkeiten visualisiert werden. Die Visualisierung erfolgt direkt über dem Wickelergebnis, damit der Anwender sehr schnell sieht, welche Schichten gegebenenfalls modifiziert werden müssen. Um weiterhin eine interaktive Modellierung des Behälterlaminats zu gewährleisten, wird ein auf Rechengeschwindigkeit optimiertes Schalenmodell genutzt. Zur detaillierteren Berechnung wird auf mittlere Sicht ein axialsymmetrisches 3D-Modell integriert. Natürlich können die Wickelergebnisse jederzeit in externe kommerzielle FEA-Software, wie z.B. Abaqus, exportiert werden.

MyCrO-Wind Abaqus Berechnung MyCrO-Wind Import der Ergebnisse

Anbindung an externe Solver

Die Wickelergebnisse des fertig gewickelten Behälters können in Form von JSON-Dateien exportiert werden. Diese Exportdaten bilden die Grundlage für die Detailsimulationen in kommerziellen FEA-Programmen. Intern nutzen wir derzeit Abaqus für Detailsimulationen. Für Abaqus wurden GUI-Erweiterungen erstellt, die es dem Nutzer ermöglichen, Behälter sehr schnell und einfach in Abaqus aufzubauen und zu berechnen. Der Datenaustausch kann konventionell über Dateien erfolgen. Zum schnellen Prototyping haben wir zudem eine TCP-Socket Verbindung implementiert, die Simulationsergebnisse der Wickelsimulation direkt an Abaqus übermittelt. So können sehr schnell Änderungen der Fertigungsparameter übernommen und in Abaqus neu ausgewertet werden. Zudem wurden Skripte entwickelt, mit deren Hilfe eine vollautomatisierte Auswertung der Berechnungsergebnisse durchgeführt wird. Aufgrund der teilweise sehr komplexen Bandstruktur innerhalb der einzelnen Schichten muss ein Post-Processing auf Basis der Ergebnisse der Wickelsimulation durchgeführt werden. Dies erfolgt dann wieder in μWind.

In Abaqus können die Behälter vollautomatisiert aufgebaut und berechnet werden. Wir bieten über unsere in Abaqus integrierte GUI-Erweiterung verschiedene Modelle an. Zusätzlich können alle Modelle über Skripte direkt erstellt, berechnet und ausgewertet werden. Die Modellauswahl wird stetig erweitert. Derzeit sind axialsymmetrische 3D-Modelle und 3D-Schalemodelle integriert. Die Modelle werden automatisiert in Sektionen unterteilt. Jeder Sektion wird aufgrund der Ergebnisse der Fertigungssimulation ein Laminat zugewiesen. Aufgrund der sehr komplexen Ablage müssen in der Regel zwischen 500 und 15000 Werkstoffe automatisiert erstellt werden. Nur dann können besonders im Dombereich alle Steifigkeiten und Festigkeiten realistisch abgebildet werden. Die Berechnung kann mit linearen Werkstoffdaten oder einer von uns entwickelten User-Materials UMAT erfolgen. In der UMATs werden die Schichten einzeln auf Basis ihrer Belastung degradiert. Da die Behälter weit nach der Zwischenfaserbruchgrenze betrieben werden, ist die Berücksichtigung der Degradation besonders für dickwandige Behälter unbedingt zu empfehlen.

Die so berechneten Dehnungen der einzelnen Schichten können dann wieder in unsere Software importiert und detailliert ausgewertet werden. So können Schwachstellen des Designs sehr einfach erkannt und gezielt den einzelnen Schichten zugeordnet werden.