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Hallo,

Ich habe erst angefangen mit dem Programm Simulia Abaqus zu arbeiten.
Ich muss für meine Arbeit einen Bohrprozess in einer Hybridplatte aus Faserverbundwerkstoff und Stahl, die mit einem Kleber gefügt sind, simulieren. Kann ich diese Platte als shell aufbauen oder muss diese solid sein?
Wenn sie solid sein muss, kann ich die Platte in mehrere Partiotionen teilen und diese jeweils als eine Schicht behandeln? (So wie in diesem Video: https://www.youtube.com/watch?v=5_v9Ah1HUlo)
Oder wie geht man dann am besten vor, wenn man der Platte den Werkstoff zuweisen möchte?
Über Hilfe würde ich mich sehr freuen.

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Du kannst den Faserverbundwerkstoff auch Solids zuweisen. Partitionieren musst du dafür nicht. Die Dickeninformation steckt im Layup und wird auf den selektierten Solid angewandt.

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Macht es einen Unterschied bei den Ergebnissen/Berechungen, wie ich es mache? Oder verhält es sich am Ende gleich?

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Weiß ich nicht - habe ich nie getestet. Es könnte aber schon sein, dass es einen anderen Lagenaufbau ergibt, je nachdem ob man über die Dicke eine Celle selektiert oder z.B. drei.

Du kannst ja beide Varianten an einem einfachen Bauteil mal testen und die Ergebnisse vergleichen.

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Zitat:

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Original erstellt von Haruek1234:
Hallo,

Ich habe erst angefangen mit dem Programm Simulia Abaqus zu arbeiten.
Ich muss für meine Arbeit einen Bohrprozess in einer Hybridplatte aus Faserverbundwerkstoff und Stahl, die mit einem Kleber gefügt sind, simulieren. Kann ich diese Platte als shell aufbauen oder muss diese solid sein? .

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Hast du schon eine Bohrsimulation am isotropen, homogenen Material durgeführt? Ich würde zunächst mit einfachen Sachen beginnen, bevor ich mich mit komplexen Problemstellungen beschäftige. Bei Verbundwerkstoffen spielt die Temperaturentwicklung, die sich beim Bohren lokal einstellt, eine sehr wichtige Rolle. Es ist entscheidend zu verstehen was dabei alles passiert. Sicherlich kommt es während des Bohrens zu sehr komplexen Bruchbildern und Schädigungsvorgängen, die bei orthotropen Werkstoff schon so, im statischen Fall, sehr komplex sind. Dynamische Vorgänge, mit lokalen Temperatur- bzw. Dehnungsgradienten verlangen nach noch mehr Information, wie z. B. eben die temperaturabhängigen Kennwerte, Festigkeiten in 3 Richtung, nicht lineares Materialverhalten auf Schub und und und. Mit Schallen-Elementen ist hier nicht viel drin. Des Weiteren muss ein 3D Bruchkriterium her, welches in ABAQUS von Haus aus nicht dabei ist. Also eine Subroutine mit z. B. Cuntze- oder Puck-Kriterium mit abgesicherten Festigkeitskennwerten. Man sieht gleich wohin die Reise geht.
Dieses Problem ist nichts für Einsteiger! Und ehrlich, da eignet sich ABAQUS nicht besonders gut dafür, da die Stabilität der Simulationen von Schädigungsvorgenen orthotroper Werkstoffen in ABAQUS mit 3D Elementen nicht besonders gut ist.
Schau dir lieber gleich den Solver Radioss von HyperWokrs an! Ich möchte an der Stelle keine Werbung für Altair Produkte betreiben, dennoch eignet sich dieser Solver bei dynamischen Vorgängen bei Simulation von FKV viel besser an als ABAQUS. Zumal hier gleich ein 3D Bruchkriterium nach Hoffmann vorhanden ist, welches sowohl für UD- als auch für BD-Verstärkungslagen genutzt werden kann.

[Diese Nachricht wurde von rombikus am 15. Okt. 2020 editiert.]

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Hallo,

wie meine Vorschreiber schon erwähnt haben ist es auf Grund der des Schubs notwendig 3D Elemente zu verwenden. Schalen könnten den Schub nicht richtig darstellen. Temperatur ist natürlich auch ein wichtiger Punkt. Was du zwischen jedem Element/Lage auch machen solltest wäre hier ein cohäsive surface oder so einfügen, sodass du hier ggf. Delamination abbilden kann.

Wenn du jetzt keine VUMAT/ UMAT selber schreiben möchtest denke ich, dass man zuerst einmal mit Continuum Shell Elementen arbeiten kann. Diese berücksichtigen die 3 Raumrichtig, und haben keine Rotationsfreiheitsgrade. Diese sollte man mit dem Hashin Kriterium ausrüsten könnten, welches für transversal isotrope Materiallien gültig ist. Ferner kann man hier auch mit Elementlöschung arbeiten, sodass die Rechnung allgemein stablieber durchlaufen sollte. Ich würde zunächst die Schädigung rauslassen, da diese sehr schnell sehr Rechenintensiv werden kann.

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Zitat:

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Original erstellt von Airfox:
Hallo,

wie meine Vorschreiber schon erwähnt haben ist es auf Grund der des Schubs notwendig 3D Elemente zu verwenden. Schalen könnten den Schub nicht richtig darstellen. Temperatur ist natürlich auch ein wichtiger Punkt. Was du zwischen jedem Element/Lage auch machen solltest wäre hier ein cohäsive surface oder so einfügen, sodass du hier ggf. Delamination abbilden kann.

Wenn du jetzt keine VUMAT/ UMAT selber schreiben möchtest denke ich, dass man zuerst einmal mit Continuum Shell Elementen arbeiten kann. Diese berücksichtigen die 3 Raumrichtig, und haben keine Rotationsfreiheitsgrade. Diese sollte man mit dem Hashin Kriterium ausrüsten könnten, welches für transversal isotrope Materiallien gültig ist. Ferner kann man hier auch mit Elementlöschung arbeiten, sodass die Rechnung allgemein stablieber durchlaufen sollte. Ich würde zunächst die Schädigung rauslassen, da diese sehr schnell sehr Rechenintensiv werden kann.

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Ich möchte keine Kritik ausüben, aber dein Beitrag bringt nur mehr Verwirrung als die gestellten Fragen zu beantworten.
1. Welchen Schub können 2D Element nicht richtig abbilden?
Den ebenen?! Sicher doch, sonst macht der Einsatz dieser Elemente keinen Sinn.
2. SC8R Element, also Continuum Shell, berücksichtigt keine Spannung in 3 Richtung. Zwar können die zugehörigen Spannungen errechnet und über Umwege angezeigt werden, doch mit einem Hashin-Bruchkriterium werden sie auf keinen Fall berücksichtigt.

3. Das Hashin-Kriterium, welches in ABAQUS definiert ist, ist ein 2D-Bruchkriterium! Verallgemeinern, dass dieses für transversal isotrope Materialien gültig ist, würde ich das nicht. Dies gilt nur bei ebenen Spannungszuständen und ist in der beschriebenen Problemstellung nicht mehr ausreichend.

4. Wie ist die Aussage über das Weglassen der Schädigung begründet, was wird sonst berechnet und wie wird der Bohrprozess simuliert? Was ist das Kriterium für das Löschen der Elemente? 

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Hallo,

ja das stimmt. Vielleicht drück das nicht ganz das aus was ich sagen wolle.

1. Bei einem "Bohrprozess in einer Hybridplatte aus Faserverbundwerkstoff und Stahl" sind natürlich zum einen die Spannungen in der Ebene interessant, zum anderen jedoch auch die S13 und S23 Spannungen. Diese sind neben dem "Fiber Pulling" für die Delamination im Randschichtbereich verantwortlich. Oder wie siehst du das?

2. Ja das stimmt.
3. Ja stimmt auch, ob dies für alle transversal isotrope Materialien gültig ist, kann ich natürlich nicht sagen. Aber für die gängigen Vertreter der Verbundmaterialien GFK/CFK sollte dies so sein. Natürlich gibt es auch weitere.

4. Im Falle des Bohrens wird das Bruchkriterium sehr schnell erreicht. Für erste Versuche ist es denke ich durchaus vertretbar die Elemente direkt herauszulöschen. Nach dem Motto ersteinmal langsam Anfangen und später erweitern. Jetzt war das mit der Elementlöschung natürlich etwas vorschnell, die kann man wohl ohne Schädigung gar nicht aktivieren, wenn ich das richtig sehen. Aber da es hier keine 3D Kriterien gibt hat sich das doch ohnehin erledigt, oder?

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Hallo,

Danke für die Antworten. Ich habe Cohesive Srufaces benutzt, um Delamintion zu simulieren. Ich MUSS Abaqus verwenden, da es so in der Aufgabenstellung steht, weshalb ein anderes Programm nicht in Frage kommt. Leider bin ich auch nicht sehr Tief im Thema VUMAT drinne, als dass ich ein kriterium selber Programmieren könnte.

1. Ich habe jetzt für das Materila folgende Daten:
- Hashin Damage mit Damage Evolution
- Density
- Elastic (Engineering Constants)
Welche Werte fehlen denn noch um die Temperaturentwicklung darzustellen?

2. Ist es denn wirklich unsinning 2D Continuum Shells zu benutzen? Ich habe von meinem Dozenten folgendes Paper bekommen :"Finite Element Analysis of Drilling of Carbon Fibre Reinforced Composites". In diesem wird grob beschrieben, wie die Simulation ausgeführt wurde und welche Werte verwendet wurden. Hier wurde z.B. mit 2D Continuum Shells modelliert, sowie das 2D-Hashin Kriterium genutzt. Außerdem wurde hier hauptsächlich nur die Schubkraft und das Moment untersucht, da davon ausgegangen wurde, dass die Tempereatur auf Raumtemperatur bleibt, aufgrund einer idealen Kühlung.

[Diese Nachricht wurde von Haruek1234 am 17. Okt. 2020 editiert.]

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Zitat:

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Original erstellt von Haruek1234:

2. Ist es denn wirklich unsinning 2D Continuum Shells zu benutzen? Ich habe von meinem Dozenten folgendes Paper bekommen :"Finite Element Analysis of Drilling of Carbon Fibre Reinforced Composites". In diesem wird grob beschrieben, wie die Simulation ausgeführt wurde und welche Werte verwendet wurden. Hier wurde z.B. mit 2D Continuum Shells modelliert, sowie das 2D-Hashin Kriterium genutzt. Außerdem wurde hier hauptsächlich nur die Schubkraft und das Moment untersucht.

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Ich denke nicht, dass es unsinnig wird. Es wird nur nicht vollständig und nicht genau. Am Schluss gibt es bunte Bilder. Ob sie die Realität näherungsweise abbilden sei dahingestellt, wichtig ist, dass wir das können. Das ist meist die Einstellung von Personen, die selbst nicht in der Materie drinstecken. Die Prozesssimulation ist derzeit ein großes Thema in der Forschungswelt, auch bei Faserverbundwerkstoffen.

Ich würde wie folgt vorgehen:
1. Werkstoffkombination festlegen!
a. Matrix: Duroplast, Thermoplast…
b. Verstärkungsmaterial: Kohle, Glas
c. Architektur der textilen Bindungsart: UD, BD, Gelege, Gewebe etc.
d. Klebstoff
e. Stahlwerkstoff
2. Literaturrecherche: falls du dazu nur ein einziges Paper hast, weitersuchen, lesen und verstehen.
3. Prozessanalyse: Ermittlung von Parametern, die während des Bohrens im Laminat und in der hybriden Platte als Ganzes wichtig sind und den Prozess wesentlich beeinflussen. Dies kannst du experimentell oder mit Hilfe der Literaturrecherche erledigen.
4. Schädigungsanalyse: Parallel zum Punkt 1 schauen, welche Bruchbilder entstehen – gewiss ist es eine schubdominante Schädigung. Jedoch in welcher Ebene?! Reicht dort nur die XY-Ebene zu analysieren oder nicht?!
5. Möglichkeiten von ABAQUS analysieren: hier hilft zunächst möglichst passende Beispiele aus dem User Manual durchzugehen. Gleichzeitig schauen welche Parameter aus Punkt 2 in der Simulation berücksichtigt werden können und welche nicht. Evtl. findest du in der Literatur aus Punkt 1 bereits gut dokumentierte Beispiele dafür.
6. FE-Modell zum Bohren einer isotropen Platte aufbauen und experimentell validieren.
7. FE-Modell zum Bohren einer hybriden Platte aufbauen und experimentell validieren. Hier möglichst vereinfacht anfangen und solang verkomplizieren, bis alle notwendigen Parametern aus Punkt 2 im Modell berücksichtigt werden.

[Diese Nachricht wurde von rombikus am 17. Okt. 2020 editiert.]

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Vielen dank für die Ausführliche Antwort. Sie hat mir sehr geholfen.

1. Die Werkstoffkombination ist gegeben, bzw habe ich die Materialparameter durch Rechersche schon herausgefunden.
2. Ich habe natürlich nicht nur ein Paper gefunden, in einigen wird das Modell natürlich auch dreidimensional modelliert, jedoch fehlt mir hier die Kentniss über VUMAT und mein Betreuer hat nichts gegen die Vorgehensweise mit Continuum Shells gesagt.
3. damit habe ich mich auch schon Beschäftigt. In den papern wird hauptsächlich die Abhängigkeit der Bohrparameter auf die Schubkraft, das Moment und die Delamination des Verbundwerkstoffes gemessen.
4. Diesen Punkt muss ich mir noch einmal genauer anschauen.
5. Das werde ich mir auch genauer anschauen, vielen Dank. Gibt es denn dort auch Beispiele speziell zum Bohren? Bis jetzt habe ich mich stark an Youtube Tutorials orientiert.

6. Ich habe ein Modell aufgebaut, die Bohrspitze besteht aus Wolframcarbid, der Zylinder aus Stahl. Der Job kann abgeschlossen werden, jedoch bekomme ich am Ende so ein Bild (siehe Anhang). Das Bild bekomme ich nur, wenn ich die Rotation einfüge, lasse ich diese weg und lasse den Bohrer nur den Vorschub besitzen, so verformt sich das Modell ganz "normal" ohne die Spitzen.

Außerdem habe ich noch eine Frage zur Berechungszeit. Die Platte ist 100x100 mm groß, der bohrer bohrt ein loch mit einem einen Durchmesser von 90mm. Kann ich Rechenzeit sparen, indem ich die größen druch 10 Teile? Die Platte wäre dann 10x10mm und der Bohrdurchmesser nur 9mm groß. Wird dadruch das Ergebnis verfälscht? Läuft damit die Simulation schneller ab?
Ich hoffe Sie können mir bei diesem Problem helfen.

[Diese Nachricht wurde von Haruek1234 am 17. Okt. 2020 editiert.]

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Wenn das ganze Modell skaliert wird, werden die Ergebnisse nicht weiter verfälscht, wenn gleichzeitig auch die Belastung skaliert wird. Bei nichtlinearen Problemen kann es jedoch zu Abweichungen zwischen den Ergebnissen kommen.
Allgemein bringt die Modellskalierung nicht viel, weil die Elementgröße entsprechend skaliert werden muss, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen.

Um die Rechenzeit zu verkürzen, können folgende Schritte unternommen werden (ist bestimmt schon geschehen)

1. FE-Netze so fein wie und wo nötig erstellen
2. Das Zeitinkement der Simulation vergrößern (muss sinnvoll sein), bei expliziter Berechnung nicht sehr stark vom stabilen Zeitinkriment abweichen. In Verbindung mit Massenskalierung kann das Zeitinkrement um Faktor 5 bis 10 vergrößert werden.
3. Massenskalierung nutzen. Hier aufpassen, dass der prozentuale Massenzuwachs im gesunden Bereich bleibt. Also keine 100% und mehr zulassen.
4. Section Control für die Plattenelemente nutzen.
5. Stark verzerrte Elemente vermeiden.
6. Damage Evolution prüfen.

Die „spitzen“ Elemente sind meist das Resultat der nicht gelöschten Elemente. Das Material erreicht seine Bruchgrenze und wird über Damage Evolution geschwächt, bis das ganze Element dann nach Erreichen der definierten Grenzen für: Spannung, Dehnung, Bruchenergie etc. (also dessen, was definiert wurde) gelöscht wird. Wird der Grenzwert nicht in allen Integrationspunkten erreicht, kommt es zu starker Verzerrung der Elemente. Ein weiterer möglicher Grund ist, dass die SC8R Elemente, Elemente mit reduzierter Integration sind, die ein s.g. Hourglassing-Effekt aufweisen können. Des Weiteren können solche Effekte bei Cohesive-Elemente mit Bruchkriterium und dem definierten Bruchfortschritt über Damage Evolution auftreten.

Genau dieselben Effekte beobachte ich bei meinen Crash-Simulationen von FKV-Strukturen in ABAQUS. Deshalb war meine erste Empfehlung auf Radioss umzusteigen. Aber das geht wohl nicht, leider.

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Ich habe mich 1 zu 1 an diese Anleitung gehalten (https://www.youtube.com/watch?v=yd-wsubMmE0&feature=emb_title), alle Werte benutzt, die auch im Video zu sehen sind, einfach nur um zu schauen ob der Bohrprozess funktioniert. Jedoch kommt es bei der Auswertung wieder zu den Spitzen. Habe schon vieles ausprobiert (Reduced Integration weggelassen, Mesh verfeinern..), aber es will einfach nicht klappen. Hat jemand vielleicht eine Idee, woran es liegen könnte?

Es kommt mitunter folgende Warnung :"Boundary conditions are defined at the nodes contained in node set WarnNodeBcIntersectKinCon. In addition the nodes are also part of a surface involved in kinematic contact. The kinematic contact constraint will be overridden by the boundary conditions in case of a conflict. Penalty contact may be used instead." Kann es daran liegen?

[Diese Nachricht wurde von Haruek1234 am 19. Okt. 2020 editiert.]

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Das Abtragen funktioniert jetzt, jedoch entsteht kein Span, sowie im Video zu sehen. Außerdem wird nur die erste Ebene angetragen, durch den Rest des Würfels "fliegt" der Bohrer einfach durch, ohne das etwas passiert. Woran kann das liegen?

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