Generierung realistischer Mikrostrukturen von faserverstärkten Verbundwerkstoffen
GeoApp: FiberMath
Die experimentelle Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von faserverstärkten Verbundwerkstoffen ist aufgrund ihrer lokalen Variabilität und Anisotropie oft kostspielig. Virtuelle Tests können dazu beitragen, diesen Aufwand zu verringern, indem eine begrenzte Anzahl von Messungen durch numerische Tests auf virtuell erzeugten Geometrien ergänzt wird.
Sowohl virtuelle Tests als auch Materialoptimierungsmethoden sind auf eine genaue Darstellung der Geometrie auf der Mikrometerskala angewiesen. Die Fasergeometrie variiert hinsichtlich Fasertypen, Ausrichtung, Länge, Krümmung und Volumenanteil. Zwar sind digitale Bilder in diesem Maßstab durch Methoden wie die Mikrocomputertomographie zugänglich, sie können jedoch nicht den gesamten Parameterbereich möglicher Fasergeometrien abdecken und sollten durch synthetisch erzeugte digitale Zwillinge ergänzt werden.
Virtuelle Strukturerzeugung
Die FiberMath GeoApp ermöglicht die Generierung realistischer Mikrostrukturen für faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit hohen Volumenanteilen und ohne Faserüberlappung. In Kombination mit dem Modul ElastoDict ermöglicht dies die effiziente Berechnung der mechanischen Antwort eines Verbundwerkstoffs in Abhängigkeit von der Fasergeometrie.
FiberMath kann Strukturen mit mehreren Fasertypen erzeugen, jeder mit seinem eigenen Satz von Geometrieparametern. Die Fasertypen können entweder gemischt oder in der Tiefenrichtung in Schichten getrennt vorliegen. Dies ermöglicht z.B. die Generierung von Strukturen mit einer Mittelschicht, in der die Faserorientierung planar-isotrop ist, wie es für spritzgegossene Bauteile typisch ist.
Die folgenden Parameter müssen für jeden Fasertyp vorgeschrieben werden:
- Faserlänge
- Faserdurchmesser
- Faserorientierung: Alle möglichen Faserorientierungstensoren von isotrop bis planar-isotrop und unidirektional.
- Faservolumenanteil: FiberMath kann Strukturen mit hohen Volumenanteilen erzeugen, wie sie in vielen industriellen Anwendungen verwendet werden.
- Maximale Faserkrümmung: FiberMath kann sowohl gerade als auch gekrümmte Fasern erzeugen.
Generierung einer faserverstärkten Mikrostrukturen
- Genaue Beschreibung der Fasergeometrie
- Faserlänge
- Faserdurchmesser
- Faserorientierung
- Faservolumenanteil
- Faserkrümmung
- Kombination von verschiedenen Fasertypen
- als Mischgewebe
- als Schichtung von Fasern
Einfluss der Krümmung auf
die effektive Steifigkeit
(a) Generierte Struktur mit geraden Fasern
(b) Generierte Struktur mit gekrümmten Fasern
Einfluss der Krümmung auf
die effektive Steifigkeit
GeoApp Features
Setup des Strukturerzeugers
Die FiberMath GeoApp führt den Benutzer durch den Eingabeprozess für die Generierung virtueller Faserstrukturen, einschließlich numerischer Parameter wie der Gittergröße. Sie ermöglicht die Generierung von Strukturen mit mehreren Fasertypen, die entweder gemischt oder in Schichten in Tiefenrichtung getrennt sind.
Zusammenfassung der Features
- Fasergeometrie: Definieren Sie die mittlere Orientierung, den Volumengehalt, die Länge, die Krümmung und den Durchmesser für jeden Fasertyp in der Geometrie.
- Auflösung: Legen Sie die Auflösung und die Anzahl der Voxel der resultierenden Geometrie fest.
- Output: Wählen Sie die Formate, in denen der Output geschrieben wird.
Mit FiberMath kann der Anwender realistische virtuelle Mikrostrukturen von faserverstärkten Materialien über einen weiten Parameterbereich erzeugen. FiberMath kann die Geometrie von Faserstrukturen auf der Mikroskala mit hoher Genauigkeit abbilden. Dies ermöglicht die numerische Prüfung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialdesigns und die Durchführung virtueller Tests des Verbundwerkstoffs.
Abhängig von den gewählten Berechnungen ist für folgende Module eine Lizenz notwendig:
| Notwendiges Modul | GeoApp-FiberMath |
Diese Module und GeoApps werden oft mit der "FiberMath" GeoApp kombiniert:
| Import & Bildverarbeitung | ImportGeo-Vol |
| Bildanalyse | MatDict |
| Materialmodellierung | FiberGeo |
| Simulation & Vorhersage | ElastoDict |
Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.