Entwicklung einer virtuellen Simulationskette zur Auslegung und Optimierung von gewickelten Faser-Kunststoff-Verbund-Druckbehältern unter Berücksichtigung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens

Gewickelte FKV-Druckbehälter erzielen gegenüber Metallbehältern deutliche Vorteile hinsichtlich Masse, Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit. Aufgrund des komplexen Fertigungsverfahrens und der stark nichtlinearen Eigenschaften der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ist die Berechnung der FKV-Struktur im Behälter bisher nur unzureichend genau möglich.

Druckbehälter bis 200 bar Betriebsdruck werden deshalb in der Regel experimentell ausgelegt. Sollen Betriebsdrücke bis 700 bar realisiert werden, wird eine rein experimentelle Auslegung und Optimierung des Laminataufbaus sehr kostenintensiv.

Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, verbesserte Verfahren zur Berechnung gewickelter FKV-Druckbehälter zu entwickeln. Im ersten Schritt wird das nichtlineare Werkstoffverhalten der Faser-Kunststoff-Verbunde näher betrachtet. Das Verhalten der UD-Schicht nach Zwischenfaserbruchgrenze muss in der analytischen und numerischen Berechnung der Behälter berücksichtigt werden. Hierzu wird das dreidimensionale Versagenskriterium nach Puck effizient implementiert, um es auch in nichtlinearen Rechnungen und Optimierungen einsetzen zu können.

Durch die nassgewickelten Schichten im Fertigungsprozess ergeben sich sehr unterschiedliche Faservolumenanteile im Behälter. Es wird ein Verfahren erarbeitet, mit deren Hilfe die elastischen Kennwerte über repräsentative Volumenelemente automatisiert umgerechnet werden.

Um die Eigenschaften des Laminats in Berechnungs-Modellen exakt abbilden zu können, wird eine Wickelsimulation entwickelt. Damit ist es erstmals möglich die abgelegte Fasermasse und alle Faserorientierungen exakt zu bestimmen und für die folgenden Berechnungen nutzbar zu machen. Die so gewonnenen Daten werden abschließend zur automatisierten Erstellung vom FEM-Modellen genutzt.