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C. Riener:
"Entwicklung eines nichtlinearen Finite Elemente Simulationsmodells zur Nachbildung des Crash-Verhaltens von gewebeverstärkten CFK/Epoxid-Laminaten";
Betreuer/in(nen): H. E. Pettermann, M. Schwab; Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik, TU Wien, 2016; Abschlussprüfung: 12.04.2016.

In der heutigen Industrie nimmt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften mehr und mehr zu. Sie ersetzen dabei klassische Konstruktionswerkstoffe und werden für die Realisierung von Strukturbauteilen verwendet. Des Weiteren werden FVK auch zunehmend für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Bauteilen wie z.B. Crash-Absorber bewertet. FVK weisen ein Versagensverhalten auf, welches bei der Zerstörung des Werkstoffes mit einem hohen, auf die Dichte bezogenem, Energieaufnahmevermögen einhergeht. Komponententests sind aufwendig und teuer, weshalb die Entwicklung von Simulationsmodellen, welche das Crash-Verhalten hinreichend genau vorhersagen, unerlässlich ist.

In dieser Arbeit werden die ersten Schritte der Erstellung eines Simulationsmodells für eine Composite Crash-Box eines Formula Student Rennfahrzeuges behandelt, wobei die finale Berechnung der Crash-Box nicht Teil dieser Arbeit ist. Das Ziel dieser Arbeit besteht viel mehr darin, ein nichtlineares Finite Elemente Modell zu entwickeln, welches in der Lage ist, das Crash-Verhalten von CFK/Epoxid-Laminaten mit einfacher Geometrie nachzubilden.

Um dies zu erreichen, erfolgt die Modellgenerierung nach dem "Building Block Approch". Dieser stellt eine Vorgehensweise dar, welche sich zur Bewältigung einer solchen komplexen Aufgabenstellung eignet, da die benötigten Simulationsparameter Schritt für Schritt ermittelt werden. Bei der Simulation von Crash-Vorgängen handelt es sich um eine kurzzeitdynamische Problemstellung, weshalb in dieser Arbeit die explizite finite Elemente Methode zum Einsatz kommt. Des Weiteren ist es von großer Bedeutung, alle relevanten Versagensmechanismen (Faser-/Matrixbruch, Delamination von Einzelschichten) zu erfassen, welche für die Energiedissipation während des Crash-Vorgangs maßgeblich sind. Dabei wird als Modellierungsansatz ein "Stacked Shell Approach" gewählt, mit dessen Hilfe die intralaminare Einzelschichtschädigung und interlaminare Delamination von CFK/Epoxid-Laminaten nachgebildet werden kann. Für die Berechnung der Einzellagen wird dabei ein kontinuumsmechanisches Schädigungsmodell verwendet. Die Schädigung der interlaminaren Interfaceschichten wird über ein Kohäsivzonenmodell und Separationsgesetze beschrieben.

Die Entwicklung des numerischen Modells erfolgt schrittweise durch die Nachbildung von Materialtests, wie sie in der Praxis durchgeführt werden. Die Kalibrierung des Materialmodells der Einzellagen erfolgt dabei anhand von Simulationsmodellen, welche Zug-, Druck- und Schubversuchen nachbilden. Die Kalibrierung der Kohäsiv-Elemente erfolgt anhand von Simulationen von DCB- und ENF Modellen, wobei näher auf das Themengebiet der virtuellen Streckung der kohäsiven Zone eingegangen wird. Die benötigten Simulationsparameter werden dabei anhand von Gleichungen angenähert. Die Simulationsergebnisse werden in weiterer Folge mit analytisch berechneten Kurvenverläufen verglichen.

Ist die Kalibrierung der Materialmodelle soweit abgeschlossen, wird deren Eignung anhand von Crash-Simulationen von Platten mit rechteckförmiger Geometrie und keilförmigen Triggermechanismus durchgeführt. Die Ergebnisse werden dabei mit Daten und Erkenntnissen, welche aus der Literatur entnommen wurden, verglichen und bewertet. Dabei wird gezeigt, dass die entwickelten Materialmodelle in der Lage sind, die komplexen Versagensformen von CFK/Epoxid-Laminaten sowie die Kraft-/Verschiebungsverläufe von realen Prüfkörpern nachzubilden.

The usage of fiber reinforced plastics (FRP) in today's industry is highly increasing. Reasons for this development are the excellent properties of these group of materials. FRPs replace more and more typical construction materials and are applied in structural parts. In addition to the usage in this field, FRPs are getting in the last years attractive in Crash and Occupant safety applications. FRPs shows a failure behavior which is coupled with a high, related to the density, energy absorption. Component testing is time consuming and expensive, so the development of effective simulation models, which can describe the crash behavior of fiber reinforced crash-elements, is necessary.

Target of this work is to generate the first steps of a nonlinear finite element simulation model of a composite crash-box which is used in a formula student race car. At this point, it has to be mentioned, that the final simulation of the crash-box is not part of this thesis. The target consists therein, to create a numerical model which catches accurately the crash behavior of simple plates which consists of fabric CFK/epoxy laminates.

To reach this purpose, the development of the model follows the Building Block Approach which is a useful and, related to simulation time, cost-efficient tool to manage this sort of complex problem. Although the parameters which are necessary for the simulation are estimated step by step. Simulation of crash is a problem where dynamic processes appear in a very short timescale so the explicit finite element method is used for simulations. In crash analysis of FRPs, it is very important to catch all relevant failure mechanisms (Fiber-, Matrix-cracking, Delamination of Plys) to reach the necessary accuracy regarding the absorbed energy. By application of an stacked shell approach, the failure mechanisms of the plys and the intra-laminar interfaces can be captured. For the calculation of the single plys, a continuum damage model is chosen. The damage process of the Interface-material between the single plys is considered by a cohesive zone modeling approach and separation laws.

The development of the numerical models is done step by step by recreation of material test which are used in practical applications. The calibration of the material models of the single plys is done by simulation models, which recreate tensile, compression and shear tests. The cohesive elements are calibrated by performing Simulations of DCB- and ENF-Tests where in the topic of artificial extension of the cohesive zone is examined. The estimation of the parameters which are needed for the simulation is done by approximation equations. The results which are obtained from simulations are compared with analytical estimated curves.

After the calibration processes of the material models are done, the crash behavior of a wedged composite plate is investigated. To check for accuracy, the simulation results will be compared to results and perceptions which were extracted from literature. It is proposed that the developed model has the capability to recreate the results from real component tests like regarding the failure mechanisms and the force/displacement curves.