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2023Metadata
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Mechanism-Based Modeling of Failure and Damage in Thick Multi-Layered Composite Structures
Zusammenfassung
Since the last few years, the usage of unidirectionally fiber-reinforced composite (UD FRC) materials for structural components in the automotive industry is increasing due to definite advantages in comparison to traditional metallic materials. The most important advantage is the weight of this material based on its low density with an accompanying high specific modulus and high a specific strength as well as the adaptability to specific applications. Also, their layer-wise processing into laminates enables the realization of complex geometries with locally strongly differing properties. Also, the dimensioning of fiber-reinforced composite (FRC) laminates in terms of stiffness and strength is being included into efficient, computeraided engineering processes.
In the current work, composites made of filament winding are focused on. This has become a popular construction technique in a wide variety of industries for creating composite structures including high pressure fuel storage tanks for hydrogen powered automobiles. This research will develop impact and crash simulations of the next generation fuel-cell vehicles with high pressure hydrogen storage vessels made of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) material. In the present work, a computer aided engineering (CAE) process chain is developed which consists of the virtual composite vessel generation, three-dimensional explicit finite element analysis of the composite vessel with multi-layered solid elements and the constitutive model. The major focus is on the development and implementation of material equations for the CFRP to capture the intralaminar failure and postcritical behaviour.
Presently, commercial finite element (FE) tools do not offer the possibility to represent a stack sequence of a composite material in solid elements. The goal of this thesis is to develop a multi-layered solid element to represent several plies with their winding angle in one solid element. The above new element formulation is presented in this thesis describing simulation results for different patches and analytical solutions.
Also, this thesis presents a three-dimensional constitutive model for anisotropic damage to describe the elastic-brittle behavior of unidirectional fiber-reinforced laminated composites. The primary objective of the thesis focuses on the threedimensional relationship between damage of the material and the effective elastic properties for the purpose of stress analysis of composite structures. Damage initiation criteria are based on the Puck failure criterion for first ply failure and the progressive micro-crack propagation is based on the idea of continuum damage evolution. Internal variables are introduced to describe the evolution of the damage state under loading and as a consequence the degradation of the material stiffness.
In order to assess the predictive capabilities of the proposed multi-layer solid element and the constitutive model, nonlinear finite element simulations are conducted. Thereby, different material systems, various laminate layouts, complex loading scenarios and the structural response are considered. The predictions are discussed in detail and compared to experimental results in order to validate the computational method.
In the current work, composites made of filament winding are focused on. This has become a popular construction technique in a wide variety of industries for creating composite structures including high pressure fuel storage tanks for hydrogen powered automobiles. This research will develop impact and crash simulations of the next generation fuel-cell vehicles with high pressure hydrogen storage vessels made of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) material. In the present work, a computer aided engineering (CAE) process chain is developed which consists of the virtual composite vessel generation, three-dimensional explicit finite element analysis of the composite vessel with multi-layered solid elements and the constitutive model. The major focus is on the development and implementation of material equations for the CFRP to capture the intralaminar failure and postcritical behaviour.
Presently, commercial finite element (FE) tools do not offer the possibility to represent a stack sequence of a composite material in solid elements. The goal of this thesis is to develop a multi-layered solid element to represent several plies with their winding angle in one solid element. The above new element formulation is presented in this thesis describing simulation results for different patches and analytical solutions.
Also, this thesis presents a three-dimensional constitutive model for anisotropic damage to describe the elastic-brittle behavior of unidirectional fiber-reinforced laminated composites. The primary objective of the thesis focuses on the threedimensional relationship between damage of the material and the effective elastic properties for the purpose of stress analysis of composite structures. Damage initiation criteria are based on the Puck failure criterion for first ply failure and the progressive micro-crack propagation is based on the idea of continuum damage evolution. Internal variables are introduced to describe the evolution of the damage state under loading and as a consequence the degradation of the material stiffness.
In order to assess the predictive capabilities of the proposed multi-layer solid element and the constitutive model, nonlinear finite element simulations are conducted. Thereby, different material systems, various laminate layouts, complex loading scenarios and the structural response are considered. The predictions are discussed in detail and compared to experimental results in order to validate the computational method.
Seit den letzten Jahren steigt die Nutzung von unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffen für Strukturteile in der Automobilindustrie im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Materialien aufgrund deutlicher Vorteile. Der wichtigste Vorteil ist das Gewicht des Materials wegen dessen geringer Dichte mit gleichzeitig hohem spezifischen Elastizitätsmodul und hoher spezifischer Festigkeit als auch wegen dessen Anpassungsfähigkeit an spezielle Anwendungen. Auch die schichtweise Verarbeitung zu Laminaten ermöglicht es, komplexe Geometrien mit lokal stark unterschiedlichen Eigenschaften zu realisieren. Auch wird die Auslegung der Faserverbundwerkstoffstrukturen in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit in die effizienten, computergestützten Engineering-Prozesse (CAE-Prozesse) einbezogen.
In der vorliegenden Arbeit wird der Schwerpunkt auf Faserverbundwerkstoffe aus Wickelverfahren gelegt. Diese wurden zu einer beliebten Konstruktionstechnik in vielen Industriebereichen zum Herstellen von Faserverbundstrukturen einschließlich Hochdruckkraftstoffspeichertanks für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge. Diese Forschung konzentriert sich auf die Aufprall- und Crashsimulationen der Brennstoffzellen-Fahrzeuge der nächsten Generation mit Hochdruckwasserstoffspeicherbehälter aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFRP). In der vorliegenden Arbeit wird eine CAE-Prozesskette entwickelt, die einen virtuellen Druckbehälter generiert. Dann wird eine dreidimensionale explizite Finite-Elemente- Analyse des Druckbehälters mit mehrschichtigen Volumenelementen und dem konstitutiven Modell durchgeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Implementierung von Materialgleichungen für CFRP, um das intralaminare Versagen und das postkritische Verhalten zu erfassen.
Gegenwärtig bietet die kommerzielle Simulationssoftware nicht die Möglichkeit, mehrere Lagen in einem Volumenelement zu repräsentieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein mehrschichtiges Volumenelement zu entwickeln, um mehrere Lagen mit unterschiedlichem Wickelwinkel in ein Volumenelement zu packen. Der zuvor beschriebene neue Ansatz wird hier dargestellt und Simulationsergebnisse für unterschiedliche Patchtests und analytische Lösungen vorgestellt.
Außerdem stellt diese Arbeit ein dreidimensionales, konstitutives Modell für anisotrope Schädigung vor, um das elastisch-spröde Verhalten unidirektional faserverstärkter Laminatverbundwerkstoffe zu beschreiben. Das vorrangige Ziel der Arbeit konzentriert sich auf die dreidimensionale Beziehung zwischen der Schädigung des Materials und den effektiven elastischen Eigenschaften zum Zwecke der Spannungsanalyse von Verbundstrukturen. Schadensanfangskriterien basieren auf Pucks Versagenskriterium für das erste Schichtversagen und die fortschreitende Mikrorissausbreitung beruht auf der Idee der kontinuierlichen Schädigungsentwicklung. Interne Variablen werden eingeführt, um die Entwicklung des Schadenszustands unter Belastung und als Folge die Schwächung der Materialsteifigkeit zu beschreiben.
Um die Prognosefähigkeit des vorgeschlagenen mehrschichtigen Volumenelements und konstitutiven Modells zu beurteilen, werden nichtlineare Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Dabei werden verschiedene Materialsysteme, unterschiedliche Laminat- Layouts, komplexe Belastungsszenarien und daraus folgenden Strukturänderungen betrachtet. Die Vorhersagen werden im Detail diskutiert und mit, experimentellen
Ergebnissen verglichen um die Berechnungsmethode zu validieren.
In der vorliegenden Arbeit wird der Schwerpunkt auf Faserverbundwerkstoffe aus Wickelverfahren gelegt. Diese wurden zu einer beliebten Konstruktionstechnik in vielen Industriebereichen zum Herstellen von Faserverbundstrukturen einschließlich Hochdruckkraftstoffspeichertanks für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge. Diese Forschung konzentriert sich auf die Aufprall- und Crashsimulationen der Brennstoffzellen-Fahrzeuge der nächsten Generation mit Hochdruckwasserstoffspeicherbehälter aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFRP). In der vorliegenden Arbeit wird eine CAE-Prozesskette entwickelt, die einen virtuellen Druckbehälter generiert. Dann wird eine dreidimensionale explizite Finite-Elemente- Analyse des Druckbehälters mit mehrschichtigen Volumenelementen und dem konstitutiven Modell durchgeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Implementierung von Materialgleichungen für CFRP, um das intralaminare Versagen und das postkritische Verhalten zu erfassen.
Gegenwärtig bietet die kommerzielle Simulationssoftware nicht die Möglichkeit, mehrere Lagen in einem Volumenelement zu repräsentieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein mehrschichtiges Volumenelement zu entwickeln, um mehrere Lagen mit unterschiedlichem Wickelwinkel in ein Volumenelement zu packen. Der zuvor beschriebene neue Ansatz wird hier dargestellt und Simulationsergebnisse für unterschiedliche Patchtests und analytische Lösungen vorgestellt.
Außerdem stellt diese Arbeit ein dreidimensionales, konstitutives Modell für anisotrope Schädigung vor, um das elastisch-spröde Verhalten unidirektional faserverstärkter Laminatverbundwerkstoffe zu beschreiben. Das vorrangige Ziel der Arbeit konzentriert sich auf die dreidimensionale Beziehung zwischen der Schädigung des Materials und den effektiven elastischen Eigenschaften zum Zwecke der Spannungsanalyse von Verbundstrukturen. Schadensanfangskriterien basieren auf Pucks Versagenskriterium für das erste Schichtversagen und die fortschreitende Mikrorissausbreitung beruht auf der Idee der kontinuierlichen Schädigungsentwicklung. Interne Variablen werden eingeführt, um die Entwicklung des Schadenszustands unter Belastung und als Folge die Schwächung der Materialsteifigkeit zu beschreiben.
Um die Prognosefähigkeit des vorgeschlagenen mehrschichtigen Volumenelements und konstitutiven Modells zu beurteilen, werden nichtlineare Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Dabei werden verschiedene Materialsysteme, unterschiedliche Laminat- Layouts, komplexe Belastungsszenarien und daraus folgenden Strukturänderungen betrachtet. Die Vorhersagen werden im Detail diskutiert und mit, experimentellen
Ergebnissen verglichen um die Berechnungsmethode zu validieren.
Zusätzliche Informationen
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2019Druckausgabe
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Zitieren
@book{doi:10.17170/kobra-202302167494,
author={Chatiri, Madhukar},
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publisher={kassel university press},
year={2023}
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The most important advantage is the weight of this material based on its low density with an accompanying high specific modulus and high a specific strength as well as the adaptability to specific applications. Also, their layer-wise processing into laminates enables the realization of complex geometries with locally strongly differing properties. Also, the dimensioning of fiber-reinforced composite (FRC) laminates in terms of stiffness and strength is being included into efficient, computeraided engineering processes. In the current work, composites made of filament winding are focused on. This has become a popular construction technique in a wide variety of industries for creating composite structures including high pressure fuel storage tanks for hydrogen powered automobiles. This research will develop impact and crash simulations of the next generation fuel-cell vehicles with high pressure hydrogen storage vessels made of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) material. In the present work, a computer aided engineering (CAE) process chain is developed which consists of the virtual composite vessel generation, three-dimensional explicit finite element analysis of the composite vessel with multi-layered solid elements and the constitutive model. The major focus is on the development and implementation of material equations for the CFRP to capture the intralaminar failure and postcritical behaviour. Presently, commercial finite element (FE) tools do not offer the possibility to represent a stack sequence of a composite material in solid elements. The goal of this thesis is to develop a multi-layered solid element to represent several plies with their winding angle in one solid element. The above new element formulation is presented in this thesis describing simulation results for different patches and analytical solutions. Also, this thesis presents a three-dimensional constitutive model for anisotropic damage to describe the elastic-brittle behavior of unidirectional fiber-reinforced laminated composites. The primary objective of the thesis focuses on the threedimensional relationship between damage of the material and the effective elastic properties for the purpose of stress analysis of composite structures. Damage initiation criteria are based on the Puck failure criterion for first ply failure and the progressive micro-crack propagation is based on the idea of continuum damage evolution. Internal variables are introduced to describe the evolution of the damage state under loading and as a consequence the degradation of the material stiffness. In order to assess the predictive capabilities of the proposed multi-layer solid element and the constitutive model, nonlinear finite element simulations are conducted. Thereby, different material systems, various laminate layouts, complex loading scenarios and the structural response are considered. The predictions are discussed in detail and compared to experimental results in order to validate the computational method. Seit den letzten Jahren steigt die Nutzung von unidirektional faserverstärkten Verbundwerkstoffen für Strukturteile in der Automobilindustrie im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Materialien aufgrund deutlicher Vorteile. Der wichtigste Vorteil ist das Gewicht des Materials wegen dessen geringer Dichte mit gleichzeitig hohem spezifischen Elastizitätsmodul und hoher spezifischer Festigkeit als auch wegen dessen Anpassungsfähigkeit an spezielle Anwendungen. Auch die schichtweise Verarbeitung zu Laminaten ermöglicht es, komplexe Geometrien mit lokal stark unterschiedlichen Eigenschaften zu realisieren. Auch wird die Auslegung der Faserverbundwerkstoffstrukturen in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit in die effizienten, computergestützten Engineering-Prozesse (CAE-Prozesse) einbezogen. In der vorliegenden Arbeit wird der Schwerpunkt auf Faserverbundwerkstoffe aus Wickelverfahren gelegt. Diese wurden zu einer beliebten Konstruktionstechnik in vielen Industriebereichen zum Herstellen von Faserverbundstrukturen einschließlich Hochdruckkraftstoffspeichertanks für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge. Diese Forschung konzentriert sich auf die Aufprall- und Crashsimulationen der Brennstoffzellen-Fahrzeuge der nächsten Generation mit Hochdruckwasserstoffspeicherbehälter aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (CFRP). In der vorliegenden Arbeit wird eine CAE-Prozesskette entwickelt, die einen virtuellen Druckbehälter generiert. Dann wird eine dreidimensionale explizite Finite-Elemente- Analyse des Druckbehälters mit mehrschichtigen Volumenelementen und dem konstitutiven Modell durchgeführt. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Implementierung von Materialgleichungen für CFRP, um das intralaminare Versagen und das postkritische Verhalten zu erfassen. Gegenwärtig bietet die kommerzielle Simulationssoftware nicht die Möglichkeit, mehrere Lagen in einem Volumenelement zu repräsentieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein mehrschichtiges Volumenelement zu entwickeln, um mehrere Lagen mit unterschiedlichem Wickelwinkel in ein Volumenelement zu packen. Der zuvor beschriebene neue Ansatz wird hier dargestellt und Simulationsergebnisse für unterschiedliche Patchtests und analytische Lösungen vorgestellt. Außerdem stellt diese Arbeit ein dreidimensionales, konstitutives Modell für anisotrope Schädigung vor, um das elastisch-spröde Verhalten unidirektional faserverstärkter Laminatverbundwerkstoffe zu beschreiben. Das vorrangige Ziel der Arbeit konzentriert sich auf die dreidimensionale Beziehung zwischen der Schädigung des Materials und den effektiven elastischen Eigenschaften zum Zwecke der Spannungsanalyse von Verbundstrukturen. Schadensanfangskriterien basieren auf Pucks Versagenskriterium für das erste Schichtversagen und die fortschreitende Mikrorissausbreitung beruht auf der Idee der kontinuierlichen Schädigungsentwicklung. Interne Variablen werden eingeführt, um die Entwicklung des Schadenszustands unter Belastung und als Folge die Schwächung der Materialsteifigkeit zu beschreiben. Um die Prognosefähigkeit des vorgeschlagenen mehrschichtigen Volumenelements und konstitutiven Modells zu beurteilen, werden nichtlineare Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt. Dabei werden verschiedene Materialsysteme, unterschiedliche Laminat- Layouts, komplexe Belastungsszenarien und daraus folgenden Strukturänderungen betrachtet. Die Vorhersagen werden im Detail diskutiert und mit, experimentellen Ergebnissen verglichen um die Berechnungsmethode zu validieren. open access Chatiri, Madhukar 2019-04-15 xxxii, 219 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau Matzenmiller, Anton (Prof. Dr.) Rolfes, Raimund (Prof. Dr.) Kassel isbn:978-3-7376-1102-3 Faserverbundwerkstoff Wasserstoffspeicherung Wickeln Struktur Versagen Modell publishedVersion Berichte des Instituts für Mechanik 2/2023 true 39,00 Berichte des Instituts für Mechanik Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 15 / Maschinenbau Softcover DIN A5 true </resource>
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