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

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Gewickelte FKV-Druckbehälter bieten im Vergleich zu Metallbehältern Vorteile in Bezug auf Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Dauerfestigkeit. Aufgrund des komplexen Fertigungsprozesses und der nichtlinearen Eigenschaften der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) ist die präzise Berechnung der FKV-Struktur bislang unzureichend. Daher werden Druckbehälter bis 200 bar meist experimentell ausgelegt. Für Betriebsdrücke bis 700 bar ist eine rein experimentelle Optimierung des Laminataufbaus jedoch kostspielig. Diese Arbeit zielt darauf ab, verbesserte Berechnungsverfahren für gewickelte FKV-Druckbehälter zu entwickeln. Zunächst wird das nichtlineare Werkstoffverhalten der FKV untersucht, wobei das Verhalten der UD-Schicht nach der Zwischenfaserbruchgrenze in analytischen und numerischen Berechnungen berücksichtigt werden muss. Das dreidimensionale Versagenskriterium nach Puck wird effizient implementiert, um es in nichtlinearen Rechnungen und Optimierungen anzuwenden. Aufgrund der nassgewickelten Schichten variieren die Faservolumenanteile im Behälter stark. Ein Verfahren wird entwickelt, das die elastischen Kennwerte über repräsentative Volumenelemente automatisiert umrechnet. Um die Eigenschaften des Laminats in Modellen genau abzubilden, wird eine Wickelsimulation entwickelt, die die abgelegte Fasermasse und Faserorientierungen präzise bestimmt und für Berechnungen nutzbar macht. Die gewonnenen Daten werden zur automatisierten Erstel