Analysis and implementation of a material model for semi-finshed fiber products for automotive carbon compsites structures

Abstract

To find fast answers for future vehicle concepts with carbon reinforced plastics (CFRP) as structural material the institute of automotive technology in Munich develops a virtual vehicle model. With this model specific statements such as costs and production parameters of a CFRP-body in the early design phase should be answered quickly. The target of the thesis is to investigate the influence of the fiber products of structural CFRP components to a complete body-in-white. Therefore, the initial is the familiarization with the current state-of-the-art of these composite materials Important information is performance parameters, such as new analytical methods that estimate SFP properties, it was proved that the Mosaic Model based on fabric structure simplifications, show the best results when compared to experimental data. Additional failure criteria were applied in order to estimate composites degraded properties, and hence estimate if in case of failure it is required a change due to the lack of strength or stiffness left. Despite the high quality of CFRP, the application of these materials in seriesproduced vehicles is limited by reason of material costs. Thereby, developing a manufacturing cost model has become a major factor of commercial success for composite products. Without a doubt, it is much more efficient to reduce the cost in an early phase rather than in between the manufacturing process, as more than the 70% of the overall cost are committed after the design phase.. Thus, cost modelling and estimation are indispensable to the development of price competitive composites. From a material point of view, one of the ways to achieve an optimum cost model is through optimizing not only the used fabrics but also the lay-up sequence. Thus, Layerwise Optimization Algorithm was implemented to optimize the material layup, this means, thickness and orientation of each single ply of a laminate, as also the sequence on which the different layers are stack together to conform a laminate.The developed methodology which is able to calculate the mentioned influence in the early design phase will be implemented as software model and integrated in the overall virtual vehicle model. Simulative and practical tests should provided information for further optimization and validation of the methodology. Furthermore, in order to collaborate in the above named manufacturing cost model, the influence of the complexity of the fiber product on the manufacturing process was investigated. Two main parameters are responsible for material complexity, understanding complexity as additional efforts induced in the manufacturing process due to the use of different fabrics. It was initially assumed, based on literature, that the main mechanism responsible for inducing extra effort, here time, was draping process, affected by fabric shear angle. In order to validate a proposed model, a knowledge-based rating was realized and a manufacturing-time measurement observe. From both processes it was inferred that rather than shear, fabric areal weight played a larger role. But overall the time increment associated if compared to the overall manufacture procedure was insignificant. Other factors as orientation, used mold (female , male) or permeability were also analysed. In this case, tests show that rather than collaborating on a complexity, they are factors that should be optimized beforehand, in order to avoid this complexity. One major conclusion of the thesis is due to the fact that realignment of fibers during preforming produces mechanical properties variations, along with variations in permeability. Hence, new values for sheared reinforcements must be estimated in order to estipulate if they are longer useful, or the mechanical properties detriment is significantly big to require a new material. And hence, the increasing effort that should be done from an early design phase. This thesis try to help through the implementation of the material optimization module into an overall BIW model

Con el objetivo de encontrar respuestas rápidas a futuros conceptos de vehículos basados en el uso de fibra de carbono en matriz orgánica como material estructural, dentro de un proyecto del instituto de automoción de la Universidad Técnica de Múnich se desarrolla un modelo de vehículo virtual. Con este modelo, se buscan una respuesta rápida a la determinación de los costos y los parámetros de producción de un cuerpo de CFRP, desde una fase inicial de diseño. El objetivo de la tesis es investigar la influencia de textiles a base de CFRP sobre el BIW del vehículo. Por lo tanto, la primera tarea aquí desarrollada es la familiarización con el estado de la técnica actual de estos materiales compuestos, prestando especialmente atención a los textiles, que serán el principal objeto the estudio, como nuevos métodos de análisis que estimen sus propiedades. Tras un análisis teórico, tres de los principales modelos fueron implementados. De cuyo análisis se comprobó que el Mosaic Model basado en la homogenización de la estructura, mostraba los mejores resultados en comparación con los datos experimentales. Se aplicaron criterios adicionales de modos fallo con el fin de estimar los propiedades degradadas de estos materiales compuestos, y por lo tanto estimar si en caso de fallo es necesario un cambio de componente, porque los requerimientos no se cumples por mas tiempo A pesar de la alta calidad de CFRP, la aplicación de estos materiales en vehículos fabricados en serie está limitado por razón de costes de material. De este modo, el desarrollo de un modelo de coste de fabricación se ha convertido en un factor importante del éxito comercial para productos compuestos.Sin duda, es mucho más eficiente para reducir el costo en una fase temprana en lugar de en el medio del proceso de fabricación, ya que más del 70% del coste total se han comprometido después de la fase de diseño. Por lo tanto, modelos de costos y estimación son indispensables para el desarrollo de materiales compuestos a precios competitivos. Desde un punto de vista material, uno de los medios para lograr un coste óptimo es a través de la optimización no sólo los tejidos utilizados, sino también la secuencia de lay-up. Layerwise Optimization Algorithm se llevó a cabo para optimizar el lay-up del material, esto quiere decir, no solo la optimización del espesor y orientación de cada capa del laminado, sino también la secuencia en la que las diferentes capas se apilan juntos para conformar un laminado Además, con el fin de colaborar en el modelo de coste de fabricación mencionado anteriormente, se investigó la influencia de la complejidad de los textiles en el proceso de fabricación. Se entiende por complejidad del material, los esfuerzos adicionales inducidos en el proceso de fabricación debido al uso de diferentes tejidos. Se supuso inicialmente, en base a la literatura, que el principal mecanismo responsable de inducir un esfuerzo extra, en este caso esfuerzo fue medido en tiempo adicional , fue el proceso de conformación, condicionado en gran medida por el máximo ángulo que las fibras son capaces de girar en los puntos de interconexión.Con el fin de validar el modelo propuesto, se llevó a cabo una encuesta a expertos en materiales compuestos a los que se les pregunto por la influencia que ejercían material, molde y dimensiones en la fabricación de componentes automovilísticos. Diferentes partes de un coche fueron evaluadas. Adicionalmente, se observó y midió un proceso de manufacturación De ambos procesos se infiere que el factor que predominantemente influye en la complejidad es el peso del textil. No obstante, en general el incremento de tiempo asociado si se compara con el procedimiento general de fabricación era insignificante. Se analizaron también otros factores como la orientación, molde utilizado (hembra, macho) o permeabilidad. En este caso, las pruebas muestran que en lugar de colaborar en una complejidad, son factores que deben ser optimizados de antemano, a fin de evitar esta complejidad. La realineación de las fibras durante el preformado produce variaciones en las propiedades mecánicas, junto con variaciones la permeabilidad. Por lo tanto, los nuevos valores para refuerzos cizallados deben ser estimados con el fin de estipular si son ya útiles, o las propiedades mecánicas en detrimento es significativamente grande como para requerir un nuevo material. Esta tesis trata de ayudar a través de la implementación del módulo de optimización de material en un modelo global de optimización del BIW.