Refine
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (1878) (remove)
Language
- English (941)
- German (931)
- Multiple languages (6)
Keywords
- Visualisierung (21)
- Simulation (19)
- Katalyse (15)
- Stadtplanung (15)
- Apoptosis (12)
- Finite-Elemente-Methode (12)
- Phasengleichgewicht (12)
- Modellierung (11)
- Infrarotspektroskopie (10)
- Mobilfunk (10)
Faculty / Organisational entity
- Kaiserslautern - Fachbereich Chemie (389)
- Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik (370)
- Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik (292)
- Kaiserslautern - Fachbereich Informatik (235)
- Kaiserslautern - Fachbereich Biologie (134)
- Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen (94)
- Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik (92)
- Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI (71)
- Kaiserslautern - Fachbereich Sozialwissenschaften (64)
- Kaiserslautern - Fachbereich Raum- und Umweltplanung (37)
Die Bewertung bestehender Bauteile unterscheidet sich grundsätzlich von der Bemessung neu zu erstellender Bauteile, da im Gegensatz zur Neubausituation bemessungsrelevante Parameter am Bestandstragwerk ermittelt werden können. Trotzdem müssen baustatische Nachweise in beiden Fällen auf Basis der aktuellen technischen Baubestimmungen geführt werden, deren Sicherheits- und Nachweiskonzept zur Erstellung von Neubauten konzipiert wurde und berücksichtigt, dass die tatsächlichen Bauteilkennwerte zum Zeitpunkt der Bemessung mit Unsicherheiten behaftet sind.
Bestehende Tragwerke können und müssen in vielen Fällen die darin enthaltenen Anforderungen nicht erfüllen, da im Vergleich zur Neubausituation eine Vielzahl von Tragwerksinformationen vorliegen, die eine Absenkung der im Zuverlässigkeitskonzept enthaltenen Unsicherheitsfaktoren begründen.
Aus diesem Grund wird innerhalb der vorliegenden Arbeit ein zur Bewertung bestehender Wasserbauwerke angepasstes, semiprobabilistisches Nachweiskonzept erarbeitet, das auf den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocode beruht. Im Vergleich zum aktuellen Nachweiskonzept zeichnet es sich durch die Berücksichtigung von im Rahmen einer qualifizierten Bestandsaufnahme am Tragwerk festgestellten Bauteilkennwerten und Einwirkungen sowie angepassten Zuverlässigkeitselementen aus.
Innerhalb einer probabilistischen Querschnittsanalyse werden weiterhin die zur Zuverlässigkeitsbewertung bestehender Wasserbauwerke aus Beton maßgebenden Basisvariablen identifiziert und es wird nachgewiesen, dass auch die Zuverlässigkeitselemente des modifizierten Nachweiskonzeptes dem Format nach den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocodes entsprechen.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Konstruktionsweise zur Errichtung von unbewehrten Gewichtsstützwänden alter Schleusen zu einem Zuverlässigkeitsniveau führt, wie es aktuell auch innerhalb des Eurocodes gefordert wird.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
Das Kniegelenk ist mitunter die am häufigsten betroffene Struktur bei Sportverletzungen, deren Auswirkungen nachhaltig die sportliche Leistung beeinträchtigen können. Für eine dynamische Kniestabilität sind neben einer kräftigen kniegelenksumgreifenden und hüftumgebenden Muskulatur eine optimale Oberkörperstabilität erforderlich, da eine erhöhte laterale Oberkörperneigung in erhöhten Knieabduktionswinkeln und -momenten resultieren kann. Die Hüftmuskulatur agiert als Bindeglied zwischen Oberkörper und unteren Extremitäten, beeinflusst die mechanische Kopplung und kann bei einer Schwäche in einer Veränderung des Schwerelots mit einhergehender Instabilität resultieren. Weiterhin beeinflusst die neuromuskuläre Kontrolle die Gesamtstabilität bei sportlichen Bewegungen, wobei die Ko-Kontraktion der ventralen und dorsalen Oberkörperseite in diesem Zusammenhang noch nicht untersucht wurde. Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur Aufklärung der Kniestabilität bei verletzungsrelevanten Bewegungen unter systematischer Variation von Belastungsstufen geleistet sowie ein besseres Verständnis der mechanischen Kopplung mit Implikationen zu geeigneten Screening-Verfahren und Trainingsinterventionen erlangt werden.
Forschungsdefizite aufgreifend, wurde eine 3D Bewegungsanalyse bei sportlich Aktiven und Judoka konzipiert, die (a) die Erfassung kinematischer, kinetischer und elektromyographischer Indikatoren integrierte, (b) die untere Extremität und den Oberkörper einbezog und die (c) verschiedene repräsentative Bewegungsaufgaben beinhaltete und systematisch variierte: Landungen und Sprünge, ein- und beidbeinig, vertikal und lateral, stabiler und instabiler Untergrund sowie dabei jeweils systematische Variation der Fall- bzw. Sprungdistanz. Daraus ergaben sich zwei zentrale Forschungsgegenstände:
1. Biomechanische Belastungsstruktur, Sprungleistung und neuromuskuläre Aktivierung im Oberkörper bei verschiedenen Sprung- und Landungsaufgaben.
2. Zusammenhänge der dynamischen Kniegelenksstabilität mit Oberkörperkinematik und neuromuskulärer Aktivität im Oberkörper – Hüftkinematik und Hüftkinetik.
Die biomechanischen Belastungsindikatoren unterschieden sich zwischen den verschiedenen, repräsentativen Bewegungsaufgaben beträchtlich. Dabei zeigten der einbeinige Drop Jump (DJ) und der Side Jump (SJ) besonders ausgeprägte Belastungsindikatoren. Des Weiteren stiegen die Belastungsindikatoren mit zunehmender Belastung (Fallhöhe- bzw. Sprungweite) an. Die Untergrundbedingung, das Geschlecht und die Sportart spielten eine untergeordnete Rolle. Zur Vorhersage der Kniestabilität eigneten sich die laterale Oberkörperneigung, das Hüftabduktionsmoment und die Hüftinnenrotation. Insbesondere die Hüftinnenrotation konnte als stärkster Prädiktor identifiziert werden. Eine hohe Hüftkraft ging mit schwächeren Zusammenhängen zwischen Knieabduktionsmoment und Knieabduktion einher. Non-lineare interaktive Prädiktoreffekte unterschieden sich zum einen zwischen den Bewegungsaufgaben und zeigten zum anderen einen hohen eigenen Aufklärungsbeitrag für die laterale Oberkörperneigung, wenn diese mit der Kniekinematik und Hüftinnenrotation zur kategorialen Zuordnung des Knieabduktionsmoments und der Knierotation untersucht wurde. Die Ko-Kontraktion im Oberkörper konnte als weiterer Indikator der Oberkörperkontrolle miteinbezogen werden.
Die unilateralen DJs und SJs, welche unterschiedliche Belastungsmuster typischer sportlicher Aktionen abbilden, wiesen unterschiedliche Belastungscharakteristika auf. Deshalb empfiehlt es sich beide Tests mit Variation der Fallhöhen bzw. Sprungweiten auf stabilem Untergrund in ein Screening-Verfahren unter Einbezug der Oberkörperkontrolle (Kinematik, Ko-Kontraktion) aufzunehmen. Die Oberkörperkontrolle sollte als Prädiktor der Kniestabilität non-linear und in Verbindung mit der Kniekinematik und Hüftrotation untersucht werden. Weiterhin sollte die Hüftkraft in zukünftigen Studien zur Kniestabilität und in Trainingsinterventionen einbezogen werden.
In der vorliegenden Arbeit wird die Zeitfestigkeit von Verbundträgern mit Profilblechen unter Berücksichtigung der während der Einstufen-Belastung im Versuch auftretenden Veränderungen (zyklische Dübelkennlinien, Kraftumlagerungen, ...) im System Verbundträger behandelt. Aus den Ergebnissen der Push-Out-Versuche wird eine Ermüdungsfestigkeitskurve -Wöhlerlinie - bestimmt, die im weiteren Grundlage der Zeitfestigkeitsuntersuchungen der Kopfbolzendübel in Betongurten mit Profilblechen ist. In einer ersten, vereinfachten Versuchsauswertung werden die Dübelkräfte der Verbundträger über die Elastizitätstheorie nach dem elastischen Schubfluß und unter Annahme starrer Verdübelung (d. h. Ebenbleiben des Gesamtquerschnitts) ermittelt. Daraus wird dann die Zeitfestigkeit berechnet. Die Bestimmung der Restlebensdauer der Verbundmittel über nichtlinear berechnete Dübelkäfte unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge - jedoch mit Steifigkeiten wie bei Erstbelastung - erfolgt in einer zweiten Auswertungsstufe. Um die wahrscheinlichen Vorgänge im Verbundträger unter wiederholter Be- und Entlastung erklären und anschließend in Computersimulationen nachvollziehen zu können, wird in den Kapiteln 4 bis 6 das phänomenologische Verhalten der einzelnen Komponenten des Verbundträgers (Stahlträger, Betongurt und Verdübelung) unter zyklischer Beanspruchung behandelt. Unter der Annahme, daß die einzelnen Komponenten ihr phänomenologisches Verhalten unter zyklischer Beanspruchung auch im Verbundträger -Zusammenwirken der einzelnen Komponenten zu einer gemeinsamen Tragwirkung- beibehalten, wird in Kapitel 7 ein Rechenmodell entwickelt. Mit den hergeleiteten zyklischen Dübelkennlinien und nichtlinearen Computersimulationen werden Schädigungen für alle Elemente (Dübel, Stahlträger) der Verbundträger - zu jedem Zeitpunkt während der Versuchsdauer - bestimmt. Mittels der linearen Schadensakkumulationshypothese von Palmgren-Miner und mit den für die einzelnen Elementen bestimmten Ermüdungsfestigkeitskurven wird daraus die jeweilige Restlebensdauer berechnet. Dabei werden die ständigen Veränderungen im nichtlinearen Tragverhalten der Verbundträger aufgrund der Kraftumlagerungen infolge der zyklischen Kennlinien, der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge, des Ausfalls einzelner Dübel, der evtl. auftretenden bleibenden Verformungen, der unterschiedlichen Be- und Entlastungspfade, ..., in den Simulationsberechnungen erfaßt. Abschließend wird das Verbundträgertragverhalten bis zum endgültigen Versagen (Bruch des Trägers) auch nach dem Abscheren (Ausfall) des ersten Dübels dargestellt.
Die vorliegende Arbeit liefert zutreffende zyklische Lastverformungs- und Rissfortschrittsbeziehungen für Trägerverbundfugen mit Kopfbolzendübel 22mm (Durchmesser) anhand derer man in der Lage ist, den Schädigungs- und Lastverformungszustand in einem Verbundträger unter zyklischer Belastung zu bestimmen. Die Modelle wurden auf Grundlage einer hohen Anzahl von weggeregelten Push-Out-Versuchen abgeleitet und an einigen zyklischen Trägerversuchen verifiziert. Mit den gefundenen Zusammenhängen ist es möglich, sehr genaue Lebensdauerprognosen für Kopfbolzendübel in Trägerverbundfugen abzugeben. Weiter wird ein einfaches Bemessungskonzept für Kopfbolzenermüdung vorgeschlagen.
Als alternatives Bewehrungsmaterial für Betonbauteile kann eine Faserkunststoffbewehrung (FKB), bestehend aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) eingesetzt werden. Im Vergleich zu Stahlbewehrung weist eine FKB verschiedene Vorteile auf. Neben einer geringen Wärmeleitfähigkeit, nicht magnetischen Eigenschaft und einer hohen Zugfestigkeit weist FKB eine hohe Beständigkeit gegenüber stahlkorrosionsfördernden Umgebungsbedingungen auf. Durch die Anwendung von FKB in Betonbauteilen, besteht das Potenzial eine tragfähige und wartungsarme Betonkonstruktion herzustellen.
Da noch keine allgemeingültige Bemessungsnorm für FKB existiert, werden faserkunststoffbewehrte Betonbauteile derzeit nach den für Betonstahl gültigen Normen in Kombination mit den allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen bemessen. Infolge der voneinander abweichenden Materialcharakteristiken der Werkstoffe Stahl und FVK, können nicht alle geltenden Bemessungsgleichungen ohne Anpassung angewendet werden. Dies betrifft die Bemessung der Verankerungslänge zur Sicherstellung der Verankerungstragfähigkeit.
Der aktuelle Stand der Wissenschaft bezieht sich überwiegend auf das stabspezifische Verbundverhalten von FKB-Stäben unter Kurzzeitbeanspruchung. Erkenntnisse zum Langzeitverbundverhalten und der Verankerungstragfähigkeit eines faserkunststoffbewehrten Betonbauteils sind unzureichend vorhanden.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung des Verbundtragverhaltens von FKB-Stäben und die Erarbeitung eines Bemessungskonzepts zur Sicherstellung der Verankerungstragfähigkeit unter Kurz- und Langzeitbeanspruchung. Die Basis hierfür bildet der aktuelle Arbeitsentwurf des Eurocode 2. Die darin aufgeführte Bemessungsgleichung der Verankerungslänge wird für FKB-Stäbe angepasst und um eine Mindestverankerungslänge zur Sicherstellung einer dauerhaften Verankerungstragfähigkeit sowie eine Mindestbetondeckung zur Vermeidung eines schlagartigen Bauteilversagens erweitert.
Zur Erstellung des Bemessungskonzepts werden experimentelle Untersuchungen an faserkunststoffbewehrte Betonbauteile mit Bewehrungsstäben aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) durchgeführt. Es werden das Verbundverhalten und das Veran-kerungstragverhalten in Abhängigkeit konstruktiver Parameter erforscht. Um den Einfluss von Langzeiteinflüssen auf die Verankerungstragfähigkeit zu erforschen, wird ein Versuchsstand konzipiert, mit dessen Hilfe der Einfluss einer langandauernden Belas-tung und einer kombinierten Einwirkung von Temperatur, Feuchtigkeit und Betonalkalität auf die Verbundfestigkeit bestimmt wird. Des Weiteren wird ein Versuchskörper entwickelt, welcher ermöglicht die Spannungsverteilung einer Verankerung quantitativ zu erfassen. Hiermit wird die Beanspruchung des Betons entlang der Verankerungslänge abgeleitet.
Die gesammelten Erkenntnisse münden in einem Modell zur Berechnung des Verbundspannungsverlaufs, dessen zeitliche Entwicklung sowie der Beanspruchung der Betondeckung. Anhand dieses Modells werden Bemessungswerte der Verbundfestigkeit stabspezifisch abgeleitet.
Mit dem vorliegende Projekt sollten die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, filigrane Fassadenplatten aus Hochleistungsbeton im Fertigteilbau realisieren zu können. Konventionelle Befestigungsmittel (Dübel, Anker) scheiden wegen der geringen Materialstärke weitgehend aus. Bestehende Systeme mit Klebtechnik erfordern eine aufwändige metallische Unterkonstruktion aus nichtkorrosivem Material. Zudem erweist sich die Montage als schwierig, sodass sich diese Systeme in der Praxis bisher nicht durchgesetzt haben. Die hier vorgeschlagene Lösung baut auf eine punktförmige Befestigung der Fassadenplatten mittels Klebtechnik auf. Die Klebanker (d = 12 mm) aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GfK) werden zusammen mit einer Tragschale und Wärmedämmung hergestellt und dann mittels Wendetechnik im Fertigteilwerk rückseitig auf die Fassadenplatten geklebt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Über- und Unterdruckversuchsstand entwickelt. Zusätzlich wurden neue Zug-, Scher- und Interaktions-Versuchsstände für Klebversuche an Platten konzipiert. Die Biegezugfestigkeit des Glasfaserbetons wurde in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Das Trag- und Verformungsverhalten der GfK-Stäbe wurde in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet und ausgewählt. Wie die Untersuchungen zeigen, können bis zu 2,7 x 3,5 m große Fassadenplatten realisiert werden, wenn die Klebanker einen Gelenkkopf erhalten, der die Verformungsbehinderung der Fassadenplatte reduziert. Das Langzeittragverhalten der GfK-Anker, das aus dem Zulassungsverfahren der verwendeten Schöck ComBAR® bekannt ist, wurde berücksichtigt. Ein Ankerraster von 500 x 500 mm hat sich als wirtschaftlich sinnvoll ergeben. Für die Fassadenplatten werden wegen der besseren Tragfähigkeit der Klebverbindung hochfeste Betone „Referenzbeton 1“ den Glasfaserbetonen „Referenzbeton 2“ vorgezogen. Fertigungsbedingte Schwankungen der Klebfugendicke im Bereich von 1 mm bis 5 mm können ohne signifikante Festigkeitseinbußen toleriert werden. Die durchgeführten mechanischen Versuche und Berechnungen zeigen, dass die Standsicherheit des Fassadensystems bei entsprechender Dimensionierung der Klebflächen gegeben ist.
Um eine weitere Zunahme der Umweltbelastung infolge des stetig anwachsenden Leergewichtes heutiger Kraftfahrzeuge zu vermeiden, wird dem vermehrten Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) auch für hochbelastete Sekundärstrukturen zukünftig eine zentrale Rolle beim intelligenten Fahrzeug-Leichtbau zukommen. Die hierzu erforderliche Substitution metallischer Bauweisen durch FKV-Lösungen bietet das Potential, aufgrund des herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaftsprofils der Werkstoffgruppe und der Möglichkeit einer weitreichenden Teile- und Funktionsintegration eine deutliche Gebrauchswerterhöhung und auch Kostenreduktion zu erzielen.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgefüh1ie Analyse des heutigen Entwicklungsstandes von
Fahrzeug-Sitzstrukturen und Fahrwerkselc1nenten in FKV-Bauweise zeigte, daß bei vorderen
Pkw-Sitzen die Grenzen des mit FKV derzeit Umsetzbaren erreicht sind. Bei Pkw-Fahrwerken konnte festgehalten werden, daß bislang keine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise ohne zusätzliches Querelement bekannt ist, obwohl diese Achsbauart zunehmend eingesetzt wird. Zielsetzung der Arbeit war es daher, innovative Ansätze für die integrierte Gestaltung vorderer Sitzstruktur-Komponenten zu entwickeln, die Leichtbau und hohe Funktionalität mit Großserienfertigung verbinden und weiter Vorschläge zur Gestaltung längsorientierter, nicht angetriebener Pkw-Hinterachsen in FKV-Bauweise zu erarbeiten. Die Arbeit geht zunächst detailliert auf die Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung im Vergleich zum klassischen Konstruktionsablauf bei metallischen Strukturen ein. Darauf aufbauend wird die werkstoff- und fertigungsgerechte Spritzgieß-Konstruktion einer oberen Lehnen-Quertraverse aus diskontinuierlich langglasfaserverstärktem Thermoplasten (DLFRP oder LFT) vorgestellt, die zwei Kopfstützen-Führungselemente und die eigentliche metallische Quertraverse integriert. Zudem ermöglicht die Funktionserweiterung der axialen Drehbarkeit des gesamten Bauteils ein verbessertes Anstellen der Kopfstütze an den Insassen-Hinterkopf. Quasi-statische und auch dynamische Kopfaufprall-Prüfungen an Prototypen zeigten eine gute
Übereinstimmung mit den numerischen Simulationsergebnissen und bestätigten das geforderte „gutmütige" Versagensverhalten des Bauteils durch den Einsatz von Langfasern.
Im weiteren stellt die Arbeit erstmals ein schlüssiges werkstoff- und fertigungsgerechtes Konzept für eine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise auf der Basis eines funktionsintegrierten CFK-Doppel-Blattfeder-Elementes mit in Reihe geschalteter FKV-Drehrohrfeder-Anordnung vor. Die im Vergleich zu herkömmlichen Metallbauweisen um etwa 40 % leichtere Konstruktion verzichtet auf ein mitfederndes Querelement zur Aufnahme der Seitenkräfte und ermöglicht ein elastokinematisch basiertes In-Vorspur-Gehen des kurvenäußeren Hinterrades. Die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der Konstruktion konnte in ausführlichen strukturmechanischen Simulationsrechnungen nachgewiesen werden.
Die effektive Nutzung der attraktiven Materialeigenschaften von Verbundwerkstoffen,
insbesondere die der langfaserverstärkten Polymere in Großserienbauteilen, macht
nicht nur die Entwicklung entsprechender Fertigungsverfahren sondern einhergehend
prognosefähige Berechnungsmethoden für Werkstoff und Bauweise notwendig.
Praxistaugliche Berechnungsmodelle beschränken sich in der Regel auf bewusst einfach
gehaltene analytische Modelle zur Grobdimensionierung oder auf Finite-Elemente-
Analysen. Letztere erlauben, lokale Konstruktionsaspekte darzustellen und
detaillierte Einsicht in das Strukturverhalten zu nehmen.
Am Beispiel von mit der Wickeltechnik hergestellter zylindrischer Vollkunststoff-
Druckbehälter wurden Auslegungsmethoden für unidirektional verstärkte FKV-Strukturen
erörtert, experimentell validiert und zusammen mit analytisch formulierten
Randbedingungen bzw. Modellen zu Geometrie, Werkstoff und Fertigung in ein vollparamtrisches,
dreidimensionales FE-Auslegungsmodul implementiert. Durch die
Auflösung der tragenden Tankstruktur in die einzelnen Wickellagen und der parametrischen
Variation von Lagenaufbau und Domgeometrie gestattet dieses eine effektive
Bauweisenoptimierung hinsichtlich Gewicht und Werkstoffausnutzung. Insbesondere
die neuartige, experimentell verifizierte Beschreibung der einzelnen Wickellagendicken
im Behälterdom erlaubt eine der Fertigung entsprechende, im jeweiligen
Wicklungslagenende wulstfreie Behältermodellgenerierung.
Gewebeverstärkte thermoplastische Halbzeuge können oberhalb ihrer Verformungstemperatur
wiederholt mittels Stempelumformprozess in aufeinander abgestimmten
Werkzeughälften umgeformt werden. Für eine effektivere Auslegung solcher Bauweisen
durch Verbesserung der Werkstoffmodellierung wird erstmalig die Prozesssimulation
mit der Strukturanalyse gekoppelt. Die hierfür entwickelte Schnittstelle vollzieht neben der Datenübersetzung die automatisierte Aufbereitung des Simulationsschalennetzes
zum voluminösen Strukturmodell nebst Modellbeschneidung und beinhaltet
erste Ansätze zur Abschätzung der Werkstoffkennwerte des infolge der Drapierung
nicht mehr orthogonal gewebeverstärkten FKV. Die Berücksichtigung von
Fadenorientierung, Dickenverteilung und auftretenden Falten durch Übertragung des
Simulationsnetzes erlaubt eine im Vergleich zum Stand der Technik realitätsnähere,
durch Bauteilprüfungen validierte Abbildung des mechanischen Strukturverhaltens.
The effective use of the attractive material properties of fiber reinforced plastics
(FRP), especially of long fiber reinforced polymers in mass production, requires an
advanced development of suitable manufacturing processes and prognostic design
and analysis methods for the material and structural behavior. This paper resulted
out of two research projects, accompanied by industrial, close to series development
tasks. The objective was to increase the efficiency of the material, structure and
manufacturing aspects of the prototype development through improved modeling
methods in analysis and simulation in close relationship with the design, material
development and testing facilities.
Mass production capability of thermoforming processing in combination with weight
saving potentials on the one hand and thermal and electrical insulation advantages of
thermoplastics in comparison to steel on the other hand was the motivation for the
development of a safety toe cap for safety shoes made of canvas reinforced thermoplastics.
An innovative analysis method for structures made of canvas reinforced
plastics which was initiated by this development program focus on a realistic
reproduction of the non-orthogonal fiber reinforcement of the woven fabric after the
thermoforming process. Canvas reinforced thermoplastics can be simplified as an
alignment of small unidirectional fiber reinforced sections in weft and warp direction.
The underlying design theories for unidirectional FRP were rehashed and advanced
in the framework of a full plastic high pressure vessel development program. To
improve the effectiveness of the pressure vessel design work, the mentioned design
theories and further specific manufacturing models were implemented in an innovative,
full-parametric design module validated by burst pressure vessel tests.
Of importance for the dimensioning and wide application of FRP-structures is the
ability to forecast the material behavior, particularly with regard to the frequent lack of measured material properties in practical design work. The conceptual formulation
was augmented for the quality assessment of the accomplished design work with a
systematic evaluation of the most well known estimations in regards to stiffness and
strength properties of unidirectional and canvas reinforced plastics. For non-orthogonal
canvas reinforced FRP, as in case of thermoformed components, no appropriate material model is available. A relative easy handling material model for orthogonal
canvas reinforced FRP known in literature was augmented to non-orthogonal.
This paper is not dealing with lightweight construction methods but in fact with the
objective to improve the praxis relevant design methods of unidirectional and bidirectional
fiber reinforced plastics; i.e. including estimations for material properties
and manufacturing influences.
The fundamentals of the presented analyses are the consideration of fiber orientation
and ply thickness close to reality by analytical models implemented in the FEA like
the description of the fiber deposition in a filament winding process.
A significant improvement of the design and analyses methods for unidirectional FRP
exemplarity in the case of high pressure vessels made of full plastic has been done
by the comprehension of relevant manufacturing parameters, especially through the
improved description of the ply thickness in the vessel domes. This was achieved by
combining two models, each separately known in literature, to level the bulges at the
end of each ply due to increasing fiber coverage and their mathematical description.
This leveling meets the practical corrections that also have to be done in a filament
winding program in the manufacturing process. Validating measurements on pressure
vessel prototypes were performed and showed excellent accordance.
Beyond it, the developed parametric FE analysis tool for cylindrical pressure vessels
produced with the filament winding technique enables a time efficient design optimization vessels in the analysis tool were set back to future work due to the unsufficient amount of vessel tests and for the benefit of a challenging design
analysis concept for canvas reinforced FRP.
For thermoformed canvas reinforced FRP the fiber orientation and play thickness can
be determined by process simulation. Interfaces to the structural analysis that particularly
include the theoretical estimation of material properties and the material
modeling are not available in the commercial market. Hence, even the structural
analysis of such constructions can not be assumed to be state of the art. Previous
analyses of thermoformed constructions depend on material isotropy or neglect the
canvas shearing during draping; i.e. the thermoformed woven fabric material is
modeled with orthogonal fiber orientation and constant ply thickness. The objective of
this paper is to combine forming simulation and structural analysis in a way, that
beside the pure data translation, the interface performs an automated transformation
of the shell based process simulation FE net to a volumetric structure model including
the model trimming and the estimation of the non-orthogonal material properties.
The consideration of fiber orientation, thickness distribution and eventually occurring
crinkles transferred with the FE net of the process simulation into the structural
analysis allows a much more reliable reproduction of the mechanical structure behavior
as in comparison to the traditional state of the art analysis which has been
validated by extensive prototype tests.
The static, non-linear analysis of the toe cap made of canvas reinforced thermoplastic
is accompanied by very successful prototype tests, which in turn pushed this
toe cap design ahead. This series are closely linked to material development, as well
as new manufacturing technology.
and analysis because of it's automated model generation. The analysis or
evaluation of variants of the load bearing FRP lay-up, the influence of different valve
geometry and dome contours necessitates now solely the modification of the input
parameters.
For a specific forecast of the achievable burst pressure of a pressure vessel design
additional work has to be done. A degradation model has to be implemented in the
analysis tool to evaluate the increasing local ply failures until the vessel burst. The
main objective for the unidirectional FRP essay of the paper was to improve the
model generation and to increase the time effectiveness of the design analysis,
which has been achieved. The originally planed implementation of a strength evaluation
of pressure
Liquid composite moulding (LCM) is an efficient process for manufacturing polymer
composite structures. During LCM a liquid thermoset resin is injected into the mould
cavity containing a pre-placed dry fabric preform. In the last step of the process the
resin cures and afterwards the part can be removed from the mould. Due to relative
low injection pressure applied in processing this technique is expected to offer
potential for cost reduction in the fabrication of large parts of complex shape.
However, in practice, much time is spent for optimising processing parameters and
properly designing the mould in order to avoid problems such as void formation and
dry spots. The common trial and error tactic to determine optimised parameters
increases time and costs for an optimal process configuration. Thus simulation will
help to speed up the development process saving cost and time.
When producing double curved parts the angles between warp and weft fibres of the
fabrics change and influence the permeability of the fabric as well as the preferred
direction of flow through the fabric during the injection phase. Further on these
shearing effects increase the fibre volume fractions and therefore less resin is
available in the correspondent areas. This leads to different results of the curing
process in the sheared areas compared to the curing process in the unsheared
areas.
Opposite to the current LCM simulation technique where only the injection process is simulated, this work presents the simulation of the three single processes and
combines them in an appropriate way to improve the simulation results.
First draping simulations are performed. Therefore, the shear behaviour is
investigated. These results are used in the draping simulation in order to obtain the
fibre orientations of the warp and weft fibres. The draping results are verified by
comparing them with the corresponding parameters of parts formed.
In order to use the results of the draping simulation in the flow simulation an interface
is developed that transforms the result files obtained from the draping simulation into
a file format suitable for the flow simulation. The mode of operation of this interface is
illustrated. First a standard file format is generated to combine the shearing angles
and the node locations delivered by PamForm™. A programme is developed that reads the node locations, the shear angles and the fibre orientations at the end of the
draping simulation and creates a new file usable for the flow simulations. Further on
several features are implemented in the new model as for example the automatic
generation of a circular inlet with a defined diameter and the adjustment of the
draping model to the model for the flow simulation concerning the fitting of the
geometry model. In order to consider the changes of permeability and fibre volume
fraction in sheared areas, zones are defined which represent areas of the same fibre
volume fractions and the same permeability. Flow experiments on sheared fabrics
are performed to get information about the flow behaviour. The permeability values of
the sheared fabric are calculated by observing the position of the flow front over time
and the application of Darcy’s law. This material behaviour is implemented into a
commercially available LCM-simulation software which is verified first using a simple
plate with a sheared fabric, then using a double curved structure (hemisphere) with
draped fabric. After the verification based on the hemisphere another part is chosen
to show the ability of the interface to deal with more complicated geometries.
To obtain the input parameters for the cure kinetic model of Kamal-Sourour an epoxy
resin is characterised using DSC. The validity of this model is verified by comparing
the cure process of a flat sheet with a rib with the corresponding simulation results.
To determine the influence of the fibre volume fraction on the maximum temperature,
a cure simulation of the hemisphere with the zone distribution is performed. Cure
Simulation on a flat plate are done to quantify the influence of the thickness of the
part on the maximum temperature in the part.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Simulation der Prozesskette der
Harzinjektionsverfahren vorgestellt. Dazu wird der Gesamtprozess in drei
unterschiedliche Einzelprozesse unterteilt: Drapierung, Injektion und Aushärtung.
Die für die gesamte Prozesskette grundlegende Simulation stellt die
Drapiersimulation dar. Diese liefert die Faserorientierungen des drapierten Bauteils,
die für die im Anschluss durchzuführende Injektionssimulation entscheidend sind.
Um die Ergebnisse der Drapiersimulation zur Simulation der Fließvorgänge zu
nutzen, wird eine Schnittstelle entwickelt. Diese wandelt die Ergebnisse der
Drapiersimulation in ein für die Injektionssimulation nutzbares Format um und
berücksichtigt deren spezielle Anforderungen an das Simulationsmodell.
Zur möglichst effizienten Durchführung der Harzinjektionssimulation wird das Modell
in einzelne Zonen mit gleichen Permeabilitätswerten und Faservolumengehalten
unterteilt. Um den Einfluss der Gewebescherung auf das Fließverhalten von Fluiden
zu ermitteln, werden Fließversuche mit gescherten Geweben durchgeführt und
verifiziert.
Die Funktionsweise der Schnittstelle und die Anwendbarkeit der gemessenen
Materialkennwerte werden an einer Kugelhalbschale demonstriert und durch
Versuche verifiziert. Anhand einer Armaturentafel wird der Nutzen der Schnittstelle
für die Fließsimulation komplexer Bauteile gezeigt.
Die Prozesskette wird mit der Simulation der Aushärtevorgänge abgeschlossen.
Dazu wird ein reaktionskinetisches Modell nach Kamal-Sourour für ein ausgewähltes
Epoxidharz erstellt. Anhand einer Rippenstruktur wird die Aushärtesimulation
verifiziert. Durch die Aushärtesimulationen kann der Einfluss des Faservolumengehalts
sowie der Bauteildicke auf die während des Aushärtevorgangs erreichbaren
Maximaltemperaturen ermittelt werden.