An increasing application of fibre-reinforced composites in aircraft and aerospace engineering contributed to the rise of development of highly effective numerical tools. On the one hand, computational simulations help to overcome the problems related to expensive experimental testings by partially substituting them. This in turn could result in decrease of design and certification costs. On the other hand, the need of effective numerical methods emerged from the desire to increase the limit loads and thus, to further exploit possible reserves of composite components. However, the complexity of problems commonly associated with the modelling of composites requires thorough understanding of the material and structuralbehaviour. For this reason, an efficient and reliable progressive failure analysis capability is required. Moreover, it is indispensable to be able to combine different levels of precision in one model to effectively examine large structures.Extensive usage of composite stiffened panels is justified by their slenderness, which results in desired light weight jointly with high stiffness in designated direction due to accordingly aligned reinforcing parts called stringers or stiffeners. These stiffeners not only prevent the skin of the panel from premature buckling under compressive loading, but they also increase the overall structural strength leading to final failure detected far beyond initial buckling.Successfully employed in modelling fuselages and wing boxes as primary components, composite stiffened panels have gained recognition. However, substantial enhancements are to be envisaged in terms of computational methods, as various effects, such as damage initiation and propagation, plasticity or impact damage, for example, require investigation at different levels of accuracy. That leads to development of various multiscale and global-local methods. A literature review has been conducted with a special attention to damage mechanisms and their importance as well as a following discussion dedicated to the existing multiscalealgorithms with their strong and weak points.To address a need in computationally efficient strategies, during this work a novel global-local coupling approach has been developed that is able to model progressive separation of the skin and the stringer together with intralaminar damage in stiffened CFRP panels under compression. The main goal of this methodology is to examine the damage at two levels of accuracy, taking advantage of the fast calculations at the global level and assessing in detail the damage propagation at the local level. An appropriate information exchange between the global and local levels in both directions is particularly challenging and it has been achieved in the demonstrated global-local approach.According to the proposed method, at the global level a linear elastic coarse model with shell elements is employed to detect the probable areas of damage. Afterwards, local models are generated using a fine mesh with solid elements. Kinematic constraints are used as boundary conditions to prescribe corresponding displacements from the global to the local model. The damage evolution is simulated by means of a material degradation model and cohesive elements are applied at the local level. To ensure a full information exchange between thetwo levels, a transfer of the reduced material properties from the local to the global level is carried out. As the relative element sizes of the global and local models are different, a special homogenization procedure is implemented that preserves energies dissipated between the local and global levels. The global-local steps are executed until the final failure takes place. The new developed approach is illustrated on the basis of one-stringer and multi-stringer laminate panels considering intact and predamaged cases with initial debonding with an aim to demonstrate advantages of the proposed method for modelling progressive failure in the stiffened composite panels with localized damage.
Der zunehmende Einsatz von faserverstärkten Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrttechnikbeschleunigt die Entwicklung hochwirksamer numerischer Werkzeuge. Einerseitshelfen Computersimulationen, schwierige und kostspielige experimentelle Tests zu vermeidenum Design- und Zertifizierungskosten zu senken. Andererseits ergibt sich die Notwendigkeiteffektiver numerischer Methoden aus dem Wunsch, Lasten in die Nahe der Belastungsgrenzezu erhöhen und damit mögliche Reserven von Verbundbauteilen besser zu nutzen. DieKomplexität der Probleme, die häufig mit der Simulation von Verbundbauteilen verbundenist, erfordert allerdings ein umfassendes Verständnis des Werkstoff- und Strukturverhaltens.Aus diesem Grund ist eine effiziente und zuverlässige progressive Fehleranalysefähigkeiterforderlich. Darüber hinaus ist es unerlässlich, verschiedene Detailgrade in einem Modellkombinieren zu können, um große Strukturen effektiv zu untersuchen.Der umfangreiche Einsatz von Fasenverbundpaneelen kann auf ihre Schlankheit zurückgeführtwerden, die aufgrund der entsprechend ausgerichteten Versteifungskomponenten,die als Stringer bezeichnet werden, das gewünschte niedrige Gewicht gemeinsam mit einerhohen Steifigkeit in der erforderlichen Ausrichtung erzielen. Diese Versteifungen verhindernnicht nur, dass die Paneele unter Druckbelastung vorzeitig beult, sondern sie erhöhenauch die Gesamttragfähigkeit, was wiederum zu einem endgültigen Strukturversagen weitjenseits des initialen Beulens führt. Bei der Modellierung von Rumpf- und Flügelkästenerfolgreich als Hauptkomponenten eingesetzt, haben Fasenverbundpaneele Bedeutung erlangt.Bezüglich der Berechnungsmethoden sind jedoch erhebliche Verbesserungen erforderlich,da unterschiedliche Effekte, wie beispielsweise die Schadenseinleitung und -ausbreitung,Schäden durch Plastizität oder Aufprall, auf verschiedenen Genauigkeitsniveaus untersuchtwerden müssen. Dies führt zur Entwicklung unterschiedlicher Multiskalen- undGlobal-lokal-Ansätzen. Es wurde eine Literaturrecherche mit besonderem Augenmerk aufSchadensmechanismen und deren Bedeutung sowie eine anschließende Diskussion über diebestehenden Multiskalenalgorithmen mit ihren Stärken und Schwächen durchgeführt.Um einem Bedarf an rechentechnisch effizienten Strategien gerecht zu werden, wurde imRahmen dieser Arbeit ein neuartiger global-lokaler Kopplungsansatz entwickelt, der in derLage ist, die progressive Trennung von Außenhaut und Stringer zusammen mit intralaminarenSchäden in versteiften CFK- Paneele unter Druckbeanspruchung zu modellieren. DasHauptziel dieser Methodik ist es, den Schaden auf zwei Skalen-Ebenen zu untersuchen. ZumEinem wird eine globale Struktur mit relativ grober Vernetzung erstellt, die den Vorteil vonzügigen Berechnungen aufweist. Zum Anderem wird die Schadensausbreitung auf lokalerEbene im Detail bewertet. Ein angemessener Informationsaustausch zwischen der globalenund der lokalen Ebene ist besonders herausfordernd und wurde im Rahmen des dargestelltenglobal-lokalen Ansatzes erreicht.Nach dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen Verfahren wird auf globaler Ebene ein linear elastisches Modell mit Schalenelementen eingesetzt. Die Vernetzung wird so gewählt, damitdie alle möglichen Schadensbereiche erfasst werden. Anschließend werden lokale Modellemit einem feinen Netz aus Volumenelementen erzeugt. Kinematische Kopplungen werdenals Randbedingungen verwendet, um entsprechende Verschiebungen vom globalen zumlokalen Modell vorzugeben. Die Schädigungsentwicklung wird mit Hilfe eines entsprechendenMaterialmodells simuliert und Kohesivzonenelemente auf lokaler Ebene angewendet. Umeinen umfassenden Informationsaustausch zwischen den beiden Ebenen zu gewährleisten,wird eine Übertragung der reduzierten Materialeigenschaften von der lokalen auf die globaleEbene durchgeführt. Da die relativen Elementgrößen der globalen und lokalen Modelleunterschiedlich sind, wird ein spezielles Homogenisierungsverfahren implementiert, welchessicherstellt, dass auf der lokalen und globalen Ebene die gleiche dissipierte Energie vorliegt.Die global-lokalen Schritte werden ausgeführt, bis das endgültige Strukturversagen eintritt.Der neu entwickelte Ansatz wird auf Basis von Einstringer- und Multistringer-Laminatpaneelenunter Berücksichtigung intakter und vorgeschädigter Fallbeispiele mit initialem Ablösungenveranschaulicht, um die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens zur Modellierung desfortschreitenden Versagens in den versteiften Fasenverbundpaneel mit lokaler Schäaufzuzeigen.