Titelaufnahme

Titel
Adaptation of an elasto-plasto-damage model from Abaqus/Standard to Abaqus/Explicit and its application to laminated FRP composites / von Johannes Broger
VerfasserBroger, Johannes
Begutachter / BegutachterinPettermann, Heinz
Erschienen2014
UmfangVII, 57 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-68614 Persistent Identifier (URN)
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Adaptation of an elasto-plasto-damage model from Abaqus/Standard to Abaqus/Explicit and its application to laminated FRP composites [6.93 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In der vorliegenden Arbeit wurde das Materialverhalten von unidirektional langfaserverstärkten Polymer-Verbundwerkstoffen untersucht. Die Methode der Finiten Elemente (FEM) eignet sich hervorragend zur Beschreibung und Simulation solcher Strukturen. Die FEM wird meist in einer impliziten Formulierung verwendet. Diese implizite Formulierung hat jedoch in gewissen Anwendungen den Nachteil, dass Konvergenzprobleme bei stark nichtlinearen Problemstellung, welche möglicherweise auch Kontaktbedingungen enthalten, auftreten können. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Anforderung an die Größe des Arbeitsspeichers bei großen Modellen, sowie eine möglicherweise sehr lange Rechenzeit. Um einige dieser Probleme zu umgehen, wurde ein bestehendes Materialmodell, das Elasto-Plasto-Schädigungsmodell (EPD) von Thomas Flatscher (2010, VDI Verlag, Duesseldorf), angepasst, um es in Kombination mit der expliziten FEM verwenden zu können. Da die ursprüngliche Formulierung zur Verwendung mit Abaqus/Standard entwickelt wurde, liegt es Nahe diese Formulierung zur Verwendung mit Abaqus/Explicit anzupassen. Zu diesen Zweck wurde eine Subroutine entwickelt, welches das vorhanden Modell von Thomas Flatscher enthält, und einige notwendige Anpassungen vornimmt, welche sich aus den Anforderungen der expliziten FEM ergeben. Das implementierte Modell wurde verifiziert, sprich mit dem ursprünglichen Modell verglichen. Die Abweichungen sind verschwindend und lassen sich auf Rundungsfehler sowie die veränderte Integrationsmethode zurückführen. Um die Eigenschaften bezüglich numerischer Effizienz und Stabilität, sowie der Hardware-Anforderungen zu untersuchen wurden einige repräsentative Probleme simuliert. Ein Drei-Punkt-Biegebalken aus zwei Einzellagen wurde untersucht um einige Eigenschaften des EPD-Modells aufzuzeigen. Im Hauptteil des Anwendungsteils wurden Simulationen zu einer Lochplattengeometrie mit unterschiedlichem Lagenaufbau durchgeführt. In diesen Simulationen wurden die Möglichkeiten des EPD-Modells zur Beschreibung des Verhaltens der Einzellagen mit sogenannten Kohäsiv-Elementen welche das Interface beschreiben, kombiniert. Dadurch kann jede Einzellage, wie auch jedes Interface sprich deren Einzelverhalten im Verbund untersucht werden. Diese Ergebnisse wurden mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur (2012, Composite Science and Technology, 72, p. 1090-1095, Elsevier) verglichen. Die Übereinstimmungen zwischen Simulation und Experiment ist in weiten Teilen sehr gut, obwohl teilweise Unterschiede feststellbar sind. Abschließend wurde eine Einheitszelle aus der Dissertation von Jakob Gager (2013, PhD thesis, ILSB, Vienna Univerity of Technology) betrachten, um weitere Vorteile der expliziten Zeitintegration zu ergründen. Die Ergebnisse konnten reproduziert werden, jedoch wurden keine gravierenden Vorteile hinsichtlich der Effizienz und Genauigkeit gefunden. Abschließend kann angemerkt werden, dass die Kombination des EPD-Modells mit einer Formulierung für die Beschreibung der Interfaces in Kombination mit der expliziten FEM einige Vorteile aufweist. Es ist möglich die Einzellagen des Laminates einzeln zu simulieren und auszuwerten, auch Delaminationserscheinungen können erfasst werden. Die explizite FEM kann ihren Vorteil, ihre Robustheit, in diesen stark nichtlinearen Simulationen voll ausspielen. Die Rechenzeit ist abhängig von der Geometrie des Bauteils sehr kurz, und die Anforderungen an den Arbeitsspeicher sind sehr klein.

Zusammenfassung (Englisch)

In the present thesis the constitutive behaviour of unidirectional fibre reinforced polymer composites is investigated. The Finite Element Method (FEM) is ideally suited for the simulation of structures with such a non-linear material behaviour. It is mostly used in a implicit formulation. This implicit form has some severe drawbacks in some applications, as for example convergence problems can occur when highly non-linear behaviour is to be simulated, possibly involving contact definitions. Another disadvantage is the high amount of working storage needed when big models are to be simulated and a possibly long calculation time. To circumvent some of these problems, an existing constitutive law, the elasto-plasto-damage-model (EPD) by Thomas Flatscher (2010, VDI Verlag, Duesseldorf) is adapted to be used in conjunction with the explicit FEM in quasi-static simulations. Because the original implementation was done for the use with Abaqus/Standard, it is obvious to adapt it to Abaqus/Explicit. To this end a interface is developed which incorporates the given EPD-model from Flatscher and makes the necessary adjustments arising from the explicit FEM. The implemented model is verified by comparing its predictions to the original model. The differences in the predictions are nearly vanishing and can be explained by round off errors and the changed integration method. To investigate the characteristic in terms of numerical efficiency and stability, and its hardware requirements, some representative quasi-static simulations are conducted. A three point bending specimen, made out of two layers of ply, is investigated to show some key features of the EPD-model. The main part of the applications is subjected to open hole tension tests with various layups. These simulations combine the EPD-model to describe the constitutive response of the plies with cohesive elements to describe the interface between the plies. With this approach it is possible to efficiently simulate every single ply in the laminate as well as the interfaces. The results of the simulations are compared to experimentally obtained results from (2012, Composite Science and Technology, 72, p. 1090-1095, Elsevier). They are in good agreement, although some inconsistencies exist. Finally a unit cell of a braided composite from the Ph.D.-thesis of Jakob Gager (2013, PhD thesis, ILSB, Vienna Univerity of Technology) is simulated to investigate the performance of the explicit integration scheme. The results could be reproduced, no clear advantage of the explicit over the implicit FEM solver could be found. Concluding it can be said, the combination of the EDP-model to describe the constitutive response of the plies with cohesive elements to describe the interface between the plies is very promising. It is possible to investigate every ply on its own including the interfaces in between. The explicit FEM is, due to its robustness, able to advantageously execute these highly non-linear simulations. The explicit simulations are found to by numerical efficient, depending on the specimens geometry, and the requirements on computer hardware are very small.