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The present thesis is concerned with the simulation of the loading behaviour of both hybrid lightweight structures and piezoelectric mesostructures, with a special focus on solid interfaces on the meso scale. Furthermore, an analytical review on bifurcation modes of continuum-interface problems is included. The inelastic interface behaviour is characterised by elastoplastic, viscous, damaging and fatigue-motivated models. For related numerical computations, the Finite Element Method is applied. In this context, so-called interface elements play an important role. The simulation results are reflected by numerous examples which are partially correlated to experimental data.
Diese Abhandlung dokumentiert wesentliche Forschungsergebnisse der Untersuchung von transluzenten Sandwichstrukturen in ihrer Eignung und Verwendbarkeit als tragende Konstruktionselemente in baulichen Strukturen. Vor dem Hintergrund der Bestrebungen, materialsparende und energieeffiziente Produkte für ein zunehmend komplexes Anforderungsprofil zu entwickeln, steigt seit einigen Jahren der Anteil konstruktiver Bauteile in Sandwichbauweise in der Architektur und im Bauwesen stetig an. Dabei spielt der Leichtbaucharakter dieser Bauweise eine entscheidende Rolle. Sandwichstrukturen sind aufgrund ihres geschichteten flächigen Aufbaus in der Regel als Platten oder Paneele erhältlich. Sie lassen sich als biegebeanspruchte Platten, Wandscheiben oder auch als räumlich gekrümmte Flächen verwenden und kombinieren. Seit einigen Jahren werden auch mehrschichtige Plattenwerkstoffe auf dem Markt angeboten, die aus lichtdurchlässigen Kunststoffen wie Acrylglas, Polycarbonat oder Glasfaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Sie werden in unterschiedlichsten Formen, Farben, Strukturen und Abmessungen hergestellt. Die Bandbreite der Produktpalette orientiert sich dabei vor allem an den Herstellungsmöglichkeiten und marktgängigen Fertigungstechniken der Kunststoffindustrie. Betrachtet man den überwiegenden Teil der praktischen Anwendungen dieser Plattenmaterialien, so wird deutlich, dass ein großer Anteil der Verwendung den Sandwicheffekt gar nicht oder nur eingeschränkt nutzt. In diesem Zusammenhang steht vorrangig die Frage, welche dieser Produkte den Strukturprinzipien eines Sandwichverbundes wirklich entsprechen und die statisch-konstruktiven Vorzüge des Sandwichverbundes effektiv nutzen können. Bisherige Anwendungsschwerpunkte sind Messe- und Innenausbauten sowie Fassaden bei Freizeit- und Industriebauten. Die statisch-konstruktiven Potentiale, die der mehrschichtige Aufbau der Produkte teilweise mit sich bringt, bleiben aber weitgehend ungenutzt. Die konstruktive Verwendung und Fügung unterscheidet sich bisher nicht wesentlich von der monolithischer Plattenmaterialien. Kapitel 1 beschreibt einführend die grundlegenden Prinzipien der Sandwichbauweise und dient zur Definition von Begriffen und Bezeichnungen. Bezug nehmend zu opaken Sandwichstrukturen werden wesentliche Merkmale und grundlegende Eigenschaften transluzenter Sandwichstrukturen aufgezeigt. Basierend auf einer umfangreichen Produktanalyse sowie ausgewählten Anwendungsbeispielen wird in Kapitel 2 eine strukturbasierende Typologie transluzenter Sandwichstrukturen aufgestellt. Dabei werden unterschiedliche bauliche Eigenschaften überprüft und tabellarisch gegenübergestellt. Ein spezieller Fokus liegt dabei auf der Untersuchung, in welcher Weise das jeweilige Herstellungsverfahren Einfluss auf das jeweilige Eigenschaftsprofil der Plattenprodukte besitzt. In ausgewählten Projektbeispielen werden Stärken und Schwächen des bisherigen Einsatzes mit Schwerpunkt in bau- und tragkonstruktiver Hinsicht aufgezeigt und bewertet. In Kapitel 3 erfolgt die Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten transluzenten Sandwichstrukturen in Form von Versuchsreihen hinsichtlich ihrer statisch-konstruktiven Fähigkeiten. Die resultierenden Ergebnisse bilden die Grundlage zur Beurteilung der konstruktiven Eignung der untersuchten Sandwichverbunde für tragwerksrelevante Anwendungen. Basierend auf den Versuchsergebnissen aus Kapitel 3 wird in Kapitel 4 der Plattentyp mit dem größten statisch-konstruktiven Potential einer weiterführenden Optimierung unterzogen. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: zum einen die Optimierung der Deckschichtlage in ihrer Materialbeschaffenheit und Verbundwirkung, zum anderen die Optimierung der Kernschichtlage in Bezug auf die geometrische Struktur. In Kapitel 5 wird neben der tragkonstruktiven Eignung des in Kapitel 4 optimierten transluzenten Sandwichverbundes die baupraktische Verwendbarkeit und Einsatzfähigkeit untersucht. Hierzu werden erweiterte Anwendungsspektren in der Architektur und dem Messebau aufgezeigt. Ziel ist dabei die Nutzung der Sandwichplatte als Konstruktionsraum für Fügetechnik. Den aufgezeigten Potentialen für selbsttragende Anwendungen wird versucht, fügetechnisch zu begegnen. Die konstruktive Fügung ist Thema praktischer Detailstudien und Modellversuche zu material- und anwendungsgerechten Methoden des Fügens, die in diesem Kapitel exemplarisch aufgezeigt und bewertet werden. Zusammenfassende Schlussfolgerungen bilden den Abschluss mit einem Ausblick auf weiterführende Anknüpfungspunkte der Forschung.
Für individuelle und nachhaltige Mobilität ist Leichtbau unverzichtbar. Die effiziente
Ressourcennutzung ist dafür eine technische Notwendigkeit. Das Gewicht eines
Fahrzeugs beeinflusst die Auslegung von Antriebsleistung, Speicherkapazität und
Strukturintegrität. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe ermöglichen über die
Kombination von gewichtsbezogen hoher Festigkeit eine Gewichtsreduktion. Durch
das Resin Transfer Molding Verfahren können entsprechende Komponenten in hoher
Stückzahl hergestellt werden. Zur weiteren Verbreitung des Werkstoffs ist eine
Reduktion der Herstellkosten notwendig. In dieser Arbeit werden zu diesem Zweck
werkzeugseitige Fließkanäle untersucht. Diese verkürzen den Fließweg, den das Fluid
durch die niedrigpermeable Verstärkungsstruktur fließen muss. Zur Charakterisierung
der Auswirkung von Fließkanälen auf den Fließfrontverlauf und die Injektionszeit wird
ein Versuchswerkzeug mit transparenten Werkzeughälften verwendet. Dadurch
können Fließfrontverläufe quantitativ mit einer Auflösung von einem Zeitwert pro 0,14
mm2 miteinander verglichen werden. Eine parabolische Querschnittsform ist
hinsichtlich dem Verhältnis von Ersatzpermeabilität und Querschnittsflächengröße
optimal. Eine kontinuierliche Vergrößerung der Fließkanalquerschnittsgröße wirkt sich
degressiv auf die Injektionszeit aus. Dadurch kann der Zusammenhang zwischen
Fließkanalquerschnittsgröße und Permeabilität der Verstärkungsstruktur quantifiziert
werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Reduktion des Fließwegs mit Hilfe von
Fließkanälen auch die Auswirkung von Falten in der Verstärkungsstruktur auf den
Fließfrontverlauf minimiert. Bei der Untersuchung verschiedener, möglicher
Einflussparameter auf die Fasereinschwemmung in Fließkanäle werden die Fließkanalquerschnittsgröße, Durchströmung und die relative Lagenorientierung
identifiziert. Durch die Verwendung von kleinen, schmalen Fließkanalquerschnitten
(Fließkanalbreite < 1,5 mm) kann eine Ondulation der Fasern vermieden werden.
Durch die kleinen Fließkanalquerschnitte kann die Erhöhung des Bauteilgewichts
minimiert werden. Die Versuchsergebnisse werden in Richtlinien zur Auslegung der
Fließkanalquerschnittsform und –größe zusammengefasst. Abschließend werden die
ermittelten Wirkzusammenhänge anhand eines Beispielbauteils, Stirnwand einer
Karosseriestruktur, validiert.
In der vorliegenden Arbeit wird die methodische Anwendung der Harzinjektionssimulation
beschrieben. Hierzu werden drei Hauptaspekte betrachtet.
Zunächst werden die im verwendeten Simulationsmodell getroffenen Vereinfachungen
auf ihre Auswirkung auf die Anwendung der Simulation untersucht. Für geringe
Fließgeschwindigkeiten bis zu 3 cm/s konnte das Gesetz von D’Arcy als grundlegendes
Fließmodell in kommerziell verfügbaren Simulationsprogrammen verifiziert werden.
Die Vereinfachung eines Punktangusses als ein Ein-Knoten-Modell ist hingegen
nicht zulässig, da dadurch eine Singularität im Modell entsteht. Durch ein vierknotiges
Angussmodell kann dieses Problem beseitigt werden.
Im zweiten Teil wird die Beschaffung der Eingabeparameter für die Simulation diskutiert.
Für die besonders schwierig zu messende ungesättigte Permeabilität in Dickenrichtung
wurde ein Modell entwickelt, um diese Permeabilität aus den gesättigten
Werten zu bestimmen, die in der Regel wesentlich einfacher zu ermitteln sind.
Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der methodischen Modellauswahl zur
Optimierung des Zeit- und Kostenaufwandes bei der Simulation. Es werden Kriterien
für die Modellauswahl entwickelt und diese anhand zweier sehr unterschiedlicher
Beispiele angewendet. Hierfür wird an einer PKW-Stirnwand für das RTM-Verfahren
und einem Hilfsspant eines Flugzeuges für das RFI-Verfahren die methodische Vorgehensweise
bei einer Harzinjektionssimulation demonstriert.
In this thesis the methodical application of liquid composite molding simulation is
discussed. The main focus is on three aspects: In the first part simplifications of the
simulation model and its influence on the application of the simulation will be shown.
The determination of the input parameters is the topic of the next part. The third section
deals with the methodical choice of simulation models to optimize cost and time
schedule. Using two quite different examples the proceeding in liquid composite
molding simulation is explained.
Basically the simulation could be verified. For both the unidirectional and the two
directional flow for lower and middle flow velocities a good correlation of simulation
and experiment was found. At velocities above 3 cm/s the fit of the simulation results
is significantly reduced. It can be assumed that increasing inertia and friction effects
influence the experimental results and therefore the creeping flow assumption in
D’Arcys law cannot be assumed to be valid. At higher flow velocities of the injected
fluid the simulation model has only a limited validity.
An interesting field was identified modeling an injection point in flow simulation. Using
the FEM it should not be described by a single node as one will obtain a singularity
and therefore unstable simulation results. To avoid this problem the injection port can
be modeled by using four nodes. This description of the injection gate provides sufficient
results.
A challenge in simulation technique is the determination of input parameters. Beside
some very easily obtained parameters such as injection pressure, viscosity of resin
or thermal properties of the used components the permeability of the reinforcement is
a key value. Especially in through thickness direction the for simulation very important
unsaturated permeability of the fiber preform is very difficult to measure due to
the short flow length and the complicated access to the flow front. However, the saturated permeability is comparatively easy to determine.
For unidirectional preforms a model was developed which is able to predict unsaturated
permeability derived by its saturated value. The model is based on an simple
parallel and serial set-up of single permeabilities of flow channel and fiber tows. The
different values of permeabilities in a saturated as well as an unsaturated case are resulting thereby from a compression of the fiber tow due to the surrounding liquid
pressure which leads to an expansion of the inter tow space. In order to describe this
effect a dimensionless compression factor κ is introduced which relates the volume of
the compressed tow to the initial state. When the flow occurs in fiber direction this
effect leads to a raising permeability due to the dominance of the flow channels in the
total permeability while in the case of flow in the perpendicular direction a reduction
can be observed because of the overall reduction of the permeability caused by the
reduction of the fiber tow permeability due to compression. This is due to the fact that
in this case the flow channels do not help the spread of the fluid in flow direction. The
model prediction for saturated and unsaturated flow could be verified in the experiment.
Under the assumption that for the flow in thickness direction we have a similar
flow mechanism as for the in-plane flow of the material perpendicular to the fiber
direction, the values for the unsaturated permeability can be calculated from the
values for the saturated permeability with this model.
A critical parameter of this model is the compression factor κ, which is a function of
the fiber volume fracture and the fluid pressure. For further developments of the
model this dependence has to be analyzed. The aim is here to find a model for the
compression of the fiber tow, so that the experimental determination can be replaced
by a calculation model.
In order to simplify the decision for the dimension of the Finite-Element-Model, an
analytic formula has been developed for the approximated error between the used
2D model and the 3D model. As parameters in this formula we have the relative flow
path (flow path related to the part thickness) and the ratio of the in-plane permeability
and the permeability in thickness direction. The formula is valid for an injection line
with impregnation in thickness direction of the perform.
In further works these results will have to be verified and adjusted for injection points.
A problematic aspect is the computation time as a complete three dimensional model
is required.
Finally the methodical optimization of two injection processes will be demonstrated
on two examples taken from practice. In the first one (front wall of a car) the aspect of
an error tolerant simulation will be discussed. While the simulation seemingly yields an optimal solution under the assumption of constant input values, significant short
comings can be shown for the necessary variation of the parameters due to measurement
errors or qualitative oscillations. Only when the range of all input parameters
is considered in simulation a reliable statement about the stability of the process can
be made. Furthermore, the possibilities of the injection system layout and of the
process optimization by adjustment of the process control will be discussed.
In the second example possibilities are shown to make statements about process
optimization via simulation despite unfavorable boundary conditions. The filling behavior
of a center fuselage side skin of a plane, which was produced with the RFItechnique,
was calculated with the use of a 2D calculation. For this a customized
algorithm was programmed which takes into account a simplified model of RFI. With
the help of this optimization the filling time could be reduced from 168 s to 5.3 s.
All in all the process simulation of resin injection techniques will be able to contribute
fundamentally to process optimization. The major shortcomings still exist in the determination
of parameters, especially in the determination of the permeability. In
order to establish the simulation in industry it will be necessary to do more research
on methods for determination of permeabilities without experiments in the preliminary
stages of the simulation. Only under these requirements the simulation will be attractive
for the user.
Im Hinblick auf die Gewichtsreduktion am Gesamtfahrzeug zur Verbesserung der Fahrdy-namik und zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs wurde ein Vierzylinder-Kurbelgehäuse auf Basis des leichten Konstruktionswerkstoffs Magnesium konzipiert und konstruiert. Unter der Zielvorgabe einer spezifischen Leistung von mindestens 65 kW/l lag der Fokus auf einer zum Serienmotor mindestens gleichwertigen Belastbarkeit und Akustik und auf der Behebung der Kriech- und Korrosionsproblematik von Magnesium. Durch die Kombination verschiedener Leichtbauprinzipien wie Konzept-, Gestalt- und Ver-bundleichtbau, ist es mittels lokalem Werkstoffengineering gelungen, die Nachteile des Mag-nesiums zu kompensieren und seine Vorteile bestmöglich zu nutzen. Das Ergebnis ist ein zur Aluminiumbasis um ca. 6,5kg und zur Graugussbasis um ca. 23kg leichteres Magnesi-um-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse. Die short-skirt Bauweise in Verbindung mit einem zur Ölwanne nahezu komplett geschlossenen Bedplate ergibt ein hochsteifes Kurbelgehäuse mit einer im Vergleich zum Serien-Aluminium-ZKG höheren Belastbarkeit. Das flexible Kurbel-gehäusekonzept ermöglicht es ausserdem, auf Basis des für Magnesium sehr wirtschaftli-chen Druckgussverfahrens, Zylinderkurbelgehäuse sowohl in open-deck als auch in closed-deck-Bauweise herzustellen. Kernstück des neuen Motorblocks ist ein multifunktionaler, 3,8kg leichter Zylindereinsatz aus Aluminium, der die Funktion der Zylinderlaufbahn, der Zylinderkopf- und Hauptlagerver-schraubung sowie der Kühlwasserführung übernimmt. Zur Verbesserung der Verbundeigen-schaften zwischen dem Zylindereinsatz und dem umgebenden Magnesium wurden umfang-reiche Gießversuche und metallographische Untersuchungen durchgeführt. Eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte AlSi12-Beschichtung erzielte schließlich die besten Ergebnisse in Bezug auf ertragbare Zug- und Schubbelastungen in der Verbundzone. Zur Absicherung des Herstellungsprozesses wurden mit der Finite Elemente Methode ver-schiedene Abstützvarianten des closed-deck-Zylindereinsatzes für das prozesssichere Ein-gießen im Druckguss untersucht. Die Befüllung des Einsatzes mit Sand erwies sich dabei als die robusteste Lösung und wurde später in den Gießversuchen umgesetzt. Der Festigkeitsnachweis für das Magnesium-Hybrid-Zylinderkurbelgehäuse wurde mit Hilfe der Finite Elemente Methode unter Einbeziehung der Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sowie unter Berücksichtigung nichtlinearer Werkstoffkennwerte und der Kriechproblematik von Magnesium erbracht. Ausgangspunkt für den Festigkeitsnachweis waren Eigenspannungsberechnungen, die das Abkühlen der Gussteile aus der Gießhitze, eine Warmauslagerung und die Bearbeitung der wichtigsten Funktionsflächen beinhaltete. Der Nachweis für die Dauerhaltbarkeit der Lagerstühle des Kurbelgehäuses wurde erbracht. Parameterstudien zeigten dabei einen positiven Einfluss der Eigenspannungen und eine geringe Sensitivität der Konstruktion in Bezug auf Reibungsvariationen zwischen Umguss und Eingussteilen. Kriechdehnungen im Bereich der Hauptlagerverschraubungen führten allerdings bei Verwendung der Standard Magnesiumlegierung AZ91 nach 500 Stunden bei 150°C zu einem Abfall der Schraubenvorspannkräfte um bis zu 75%. Es konnte gezeigt wer-den, dass dieses Problem bei Verwendung von kriechfesteren Legierungen (z.B. MRI 153M) mit ca. 10-20fach besserer Kriechfestigkeit bzw. Relaxationsbeständigkeit behoben werden kann. Der rechnerisch erbrachte Nachweis für die Dauerhaltbarkeit des Zylinderkurbelgehäuses konnte kurz vor Fertigstellung dieser Arbeit in einem Motorversuch (Polyzyklischer Dauer-lauf, 100h) bestätigt werden. Der Motor zeigte nach Ende der Laufzeit keine Auffälligkeiten und konnte weiter betrieben werden.