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  • Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Strukturmechanik und Simulation Fachbereich Maschinenbau

    Simulation eines Faserverbundwerkstoffes in Patran/Nastran

    am Beispiel einer einfachen Tragflgelgeometrie

    Christoph Meyer Gunnar Lanatowitz

    2006

  • Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert Strukturmechanik und Simulation Fachbereich Maschinenbau

    2

    Inhalt

    1 Einleitung............................................................................................................. 4

    2 Pre Processing .................................................................................................... 5

    2.1 Die Geometrie .............................................................................................. 5

    2.1.1 Import der Geometrie ............................................................................ 5

    2.1.2 berarbeitung der Geometrie fr Darstellung des Holms als I-Profil..... 6

    2.2 Das Mesh ..................................................................................................... 9

    2.2.1 Erstellen des Mesh Seeds .................................................................... 9

    2.2.2 Erstellen der Vernetzung anhand des Mesh Seeds ............................ 11

    2.2.3 Reduzierung doppelter Knoten............................................................ 12

    2.3 Der Laminataufbau..................................................................................... 13

    2.3.1 Die Elementnormalen.......................................................................... 15

    2.4 Erstellung des CFK-Tape als Grundwerkstoff ............................................ 16

    2.4.1 Materials ............................................................................................. 16

    2.5 Zwei Wege zur Definition des Laminataufbaus .......................................... 17

    2.5.1 Speichern einer Kopie fr den zweiten Weg ....................................... 17

    2.6 Variante 1 Laminaterstellung ohne LM.................................................... 18

    2.6.1 Materials ............................................................................................. 18

    2.6.2 Properties............................................................................................ 22

    2.6.2.1 Zuweisung fr die Schale, ohne den Bereich der Gurte............... 22

    2.6.2.2 Zuweisung fr den Steg ............................................................... 23

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    2.6.2.3 Zuweisung fr den Bereich der Gurte .......................................... 23

    2.7 Variante 2 Laminaterstellung mit LM....................................................... 23

    2.7.1 Material ............................................................................................... 24

    2.7.2 Lagentypen (Plys) ............................................................................... 24

    2.7.3 Lagenaufbau (Layup) .......................................................................... 29

    2.7.3.1 Offset ........................................................................................... 31

    2.7.4 Automatische Erstellung der Properties .............................................. 33

    2.8 Gruppierung der Elemente ......................................................................... 34

    2.9 Loads/BCs.................................................................................................. 35

    2.9.1 Druckverteilungsfunktion..................................................................... 35

    2.9.2 Last- und Lagerbedingungen .............................................................. 38

    3 Berechnung ....................................................................................................... 45

    4 Post Processing ................................................................................................ 46

    4.1 Darstellung der Rechenergebnisse ............................................................ 46

    4.2 Darstellung der Vergleichbarkeit der beiden Modelle ................................. 54

    5 Fazit................................................................................................................... 56

    6 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 57

    7 Anhang.............................................................................................................. 58

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    4

    1 Einleitung

    Bei diesem Dokument handelt es sich um das vierte Manual, das im Zuge einer

    Studienarbeit unter der Leitung von Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Reinert an der

    Hochschule Bremen erstellt wurde. Es soll, wie auch die anderen Arbeiten,

    interessierten Studenten die Mglichkeit bieten, sich in das Patran/Nastran

    Softwarepaket anhand von berschaubaren Themengebieten einzuarbeiten.

    Kenntnisse der grundlegenden Programmfunktionen sind fr die Bearbeitung dieses

    Manuals hilfreich.

    Das vorliegende Dokument beschftigt sich mit der Simulation von

    Faserverbundwerkstoffen in Patran/Nastran. Es beschreibt zwei verschiedene Wege,

    auf denen sich derartige Werkstoffe definieren lassen, und versucht deren Vor- und

    Nachteile erkennbar zu machen.

    Zum einen wird beschrieben, wie sich Verbundwerkstoffe mithilfe der

    Grundfunktionen Materials und Properties simulieren lassen. Zum anderen wird

    gezeigt, wie dieses mithilfe des Tools Laminat-Modeler erfolgen kann.

    Darber hinaus werden noch weitere Patran-Funktionen in dieser Dokumentenreihe

    erstmals verwendet:

    Gruppierung von Elementen

    Flchenlastdefinition mittels einer Funktion

    Erstellung des Mesh mithilfe von Ausgangsknoten (Mesh Seed)

    Eine Liste der bereits geschriebenen Anleitungen findet sich im Literaturverzeichnis

    (Kapitel 6) dieses Dokumentes.

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    2 Pre Processing

    Das Pre Processing beinhaltet alle Schritte, die zur Erstellung des Modells ntig sind.

    2.1 Die Geometrie

    2.1.1 Import der Geometrie

    Bevor die Geometrie importiert werden kann, muss zuvor eine neue Patran-

    Datenbank erzeugt werden. Hierzu wird auf >File< und >New< geklickt. Im erscheinenden Fenster kann das Arbeitsverzeichnis ber das Pull-Down-Men

    Suchen in gewechselt werden und der Dateiname im gleichnamigen Textfeld

    vergeben werden. In diesem Dokument wird der Dateiname Goe398.db verwendet.

    Das Fenster wird dann ber >OK< wieder verlassen. Es ist zu beachten, dass sich das Arbeitsverzeichnis auf einem Laufwerk mit ausreichend Speicherkapazitt

    befindet. Fr einfache Modelle sind 15 bis 20 MB ausreichend.

    Nun knnen die Geometriedaten mittels Klicken auf >File< und >Import< importiert werden. Im erscheinenden Fenster wird ber das Pull-Down-Men der

    Speicherort des Zeichnungsfiles ausgewhlt. Im nchsten Schritt wird im rechten

    Bereich des Fensters im Menpunkt Source das Zeichnungsformat >IGES< ausgewhlt.

    Als nchstes wird das Goe398.igs File ausgewhlt und ber >Apply< importiert.

    Es erscheint ein Fenster, das eine bersicht ber die importierten Geometrien bietet.

    Diese werden durch Klicken auf >OK< besttigt.

    Durch freies Drehen (mittlere Maustaste) oder durch Klicken auf eine der

    angebotenen Standardansichten kann das importierte Modell betrachtet werden.

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    Iso 3 View Fit View

    Abbildung 1 Darstellung in der ISO 3 Ansicht

    Patran bietet eine Vielzahl von importierbaren Dateiformaten, auf die hier aber nicht

    weiter eingegangen wird.

    2.1.2 berarbeitung der Geometrie fr Darstellung des Holms als I-Profil

    Zur Simulation des vorgesehenen Holms in Form eines I-Profils muss die

    Flgelschale in kleinere Flchensegmente unterteilt werden. Hierzu sind zwei

    Ebenen zu erstellen, an denen die Flgelschale aufgetrennt wird.

    Zur besseren bersicht soll die Ansicht gedreht werden. Im Men >ViewingAngles< werden die Winkel >-90 0 -90< (durch Leerzeichen getrennt) eingegeben und anschlieend auf >Apply< gedrckt. ber >Fit View< oder >Strg+F< wird der Bildausschnitt angepasst.

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    Unter >GeometrieCreatePlane< sollen nun die zwei Hilfsebenen erstellt werden. Als Method wird >Point Vektor< gewhlt. Als Sttzpunkt wird >Point 2Coord 0.2Apply< abgeschlossen.

    Die erstellte Ebene ist nun unter >GeometrieTransformPlaneTranslate< an ihre endgltige Position zu verschieben. Als Translation Vektor wird >0 -50 0< eingegeben und als Ebene >Plane 1< in die Plane List eingetragen. Die Aktion ist wie blich mit >Apply< abzuschlieen. Anschlieend wird dieselbe Ebene noch auf >0 50 0< verschoben. Um die ursprngliche Ebene zu lschen wird ein Hckchen bei Delete Original Planes gesetzt. >ApplyRefresh Graphics< (Abbildung 2) ergibt sich unten stehende Ansicht. Es empfiehlt sich, die Grafikdarstellung oft ber diese Funktion zu

    aktualisieren.

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    Axis 2 - Y-Achse Picking Options Refresh graf